Fuerte – Débil – Electromagnético – Fuerza gravitacional. En general, estas interacciones entre partículas elementales se conocen como las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Propiedades del material
En física, las interacciones fundamentales , también conocidas como fuerzas fundamentales , son interacciones entre partículas elementales que no parecen reducirse a interacciones más básicas. Estas interacciones gobiernan cómo interactúan las partículas y también los objetos macroscópicos y cómo se desintegran ciertas partículas. Generalmente, se pueden clasificar en una de cuatro fuerzas fundamentales :
Interacción fuerte – Fuerza fuerte
La interacción fuerte o fuerza fuerte es una de las cuatro fuerzas fundamentales e implica el intercambio de los bosones gauge del vector conocidos como gluones . En general, la interacción fuerte es una interacción muy complicada, porque varía significativamente con la distancia. La fuerza nuclear fuerte mantiene unida la mayor parte de la materia ordinaria porque confina a los quarks en partículas de hadrones como el protón y el neutrón . Además, la fuerza fuerte es la fuerza que puede mantener unido un núcleo contra las enormes fuerzas de repulsión ( fuerza electromagnética ) de los protones que es realmente fuerte.
Interacción débil – Fuerza débil
La interacción débil o fuerza débil es una de las cuatro fuerzas fundamentales e implica el intercambio de los bosones vectoriales intermedios, W y Z. Dado que estos bosones son muy masivos (del orden de 80 GeV, el principio de incertidumbre dicta un rango de unos 10-18 metros, que es menos que el diámetro de un protón. Como resultado, la interacción débil tiene lugar solo a distancias subatómicas muy pequeñas. La interacción débil es responsable de algunos fenómenos nucleares como la desintegración beta , que puede ser entendido en términos de la fuerza débil que opera sobre los quarks dentro del neutrón .
La fuerza electromagnética es la fuerza responsable de todos los procesos electromagnéticos. Actúa entre partículas cargadas eléctricamente. Es una fuerza de rango infinito, mucho más fuerte que la fuerza gravitacional , obedece a la ley del cuadrado inverso, pero ni la electricidad ni el magnetismo se suman de la forma en que lo hace la fuerza gravitacional. Dado que hay cargas positivas y negativas (polos), estas cargas tienden a anularse entre sí. El electromagnetismo incluye la fuerza electrostática que actúa entre partículas cargadas en reposo y el efecto combinado de fuerzas eléctricas y magnéticas que actúan entre partículas cargadas que se mueven entre sí.
Interacción gravitacional – Fuerza gravitacional
La gravedad fue la primera fuerza que se investigó científicamente. La fuerza gravitacional fue descrita sistemáticamente por Isaac Newton en el siglo XVII. Newton afirmó que la fuerza gravitacional actúa entre todos los objetos que tienen masa (incluidos los objetos que van desde átomos y fotones, hasta planetas y estrellas) y es directamente proporcional a las masas de los cuerpos e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre los cuerpos. Dado que la energía y la masa son equivalentes , todas las formas de energía (incluida la luz) causan gravitación y están bajo su influencia. El rango de esta fuerza es ∞ y es más débil que las otras fuerzas.
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Ver también:
Fuerzas fundamentales
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El peligro de la radiación ionizante radica en el hecho de que la radiación es invisible y no detectable directamente por los sentidos humanos. La gente no puede ver ni sentir la radiación, pero deposita energía en las moléculas del material. Propiedades del material
Resumen ejecutivo
La radiación nos rodea. Estamos continuamente expuestos a la radiación de fondo natural y parece no tener ningún problema. Sí, las altas dosis de radiación ionizante son dañinas y potencialmente letales para los seres vivos, pero estas dosis deben ser realmente altas. Además, ¿qué no es dañino en dosis elevadas? Incluso una gran cantidad de agua puede ser letal para los seres vivos.
La verdad sobre los efectos en la salud de la radiación de dosis baja aún debe descubrirse. No se sabe exactamente si estas bajas dosis de radiación son perjudiciales o beneficiosas (y dónde está el umbral). Hay estudios que afirman que pequeñas dosis de radiación administradas a una tasa de dosis baja estimulan los mecanismos de defensa. Además, la radiación ionizante puede tener beneficios para la salud en medicina, por ejemplo, en diagnósticos en los que se utilizan rayos X para producir imágenes del interior del cuerpo. No reclamamos, todo está bien. También depende del tipo de radiación y del tejido que estuvo expuesto.
Pero finalmente, si compara los riesgos, que surgen de la existencia de radiación, natural o artificial, con los riesgos que surgen de la vida cotidiana, entonces debe concluir que el miedo a la radiación es irracional . Los seres humanos a menudo somos inconsistentes en nuestro tratamiento de los riesgos percibidos. Aunque dos situaciones pueden tener riesgos similares, las personas encontrarán una situación permisible y otra injustificadamente peligrosa.
El problema de la radiación ionizante radica en el hecho de que la radiación es invisible y no detectable directamente por los sentidos humanos. Las personas no pueden ver ni sentir la radiación y, por lo tanto, sienten miedo ante esta amenaza invisible.
Radiación ionizante – símbolo de peligro
¿Qué tan peligrosa es la radiación?
La radiación nos rodea . En, alrededor y por encima del mundo en el que vivimos. Es una fuerza de energía natural que nos rodea. Es una parte de nuestro mundo natural que ha estado aquí desde el nacimiento de nuestro planeta. Todas las criaturas vivientes, desde el principio de los tiempos, han estado y siguen estando expuestas a radiaciones ionizantes .
Por ejemplo, el potasio-40 es uno de los isótopos que contribuye a la exposición interna del ser humano. Las trazas de potasio-40 se encuentran en todo el potasio y es el radioisótopo más común en el cuerpo humano . También se pueden encontrar cantidades mayores en los plátanos . ¿Significa que comer plátanos debe ser peligroso? Por supuesto no.
Explicación - Dosis equivalente a plátano
En todos los casos, la intensidad de la radiación es importante. La dosis equivalente de plátano está destinada a ser un ejemplo educativo general para comparar una dosis de radiactividad con la dosis a la que uno se expone al comer un plátano de tamaño medio. Un BED a menudo se correlaciona con 10 -7 Sievert ( 0,1 µSv). La exposición a la radiación por consumir un plátano es aproximadamente el 1% de la exposición diaria promedio a la radiación, que es 100 dosis equivalentes de plátano (BED). Una tomografía computarizada de tórax arroja 58,000 BED (5.8 mSv). Una dosis letal, la dosis que mata a un ser humano con un riesgo del 50% dentro de los 30 días (LD50 / 30) de radiación, es aproximadamente 50,000,000 BED (5000 mSv). Sin embargo, en la práctica, esta dosis no es acumulativa, ya que el principal componente radiactivo se excreta para mantener el equilibrio metabólico. Además, también existe un problema con la dosis colectiva .
El BED solo está destinado a informar al público sobre la existencia de niveles muy bajos de radiactividad natural dentro de un alimento natural y no es una medida de dosis adoptada formalmente.
Ya sea que la fuente de radiación sea natural o artificial, ya sea una gran dosis de radiación o una pequeña dosis, habrá algunos efectos biológicos . En general, la radiación ionizante es dañina y potencialmente letal para los seres vivos, pero puede tener beneficios para la salud en la medicina, por ejemplo, en la radioterapia para el tratamiento del cáncer y la tirotoxicosis.
Pero, ¿dónde está el umbral entre los efectos positivos y negativos de la radiación?
¿Qué significa peligro?
En los siguientes pensamientos, intentamos resumir hechos e hipótesis que pueden ayudarlo a comprender el problema. Se trata de los riesgos derivados de la exposición a radiaciones ionizantes y de la coherencia de todos los riesgos de la vida cotidiana. Pero primero tenemos que resumir los hechos clave sobre la radiación ionizante.
Intensidad de la radiación: dosis y tasa de dosis
Principios de protección radiológica: tiempo, distancia, blindaje
La intensidad de la radiación ionizante es un factor clave que determina los efectos en la salud de la exposición a cualquier radiación. Es similar a estar expuesto a la radiación de calor de un fuego (de hecho, también es transferido por fotones). Si está demasiado cerca de un fuego, la intensidad de la radiación térmica es alta y puede quemarse. Si estás a la distancia adecuada podrás aguantar allí sin problemas y además es cómodo. Si está demasiado lejos de la fuente de calor, la insuficiencia de calor también puede dañarlo. Esta analogía, en cierto sentido, se puede aplicar también a la radiación procedente de fuentes de radiación ionizante.
En resumen, para quemarse ( efectos deterministas y efectos estocásticos demostrables ) por radiación ionizante, debe estar expuesto a una cantidad de radiación realmente alta. Pero casi siempre estamos hablando de las llamadas dosis bajas . Como se escribió, hoy el sistema de protección se basa en la hipótesis LNT , que es un modelo conservador utilizado en protección radiológica para estimar los efectos en la salud de pequeñas dosis de radiación. Este modelo es excelente para configurar un sistema de protección. para todo uso de radiaciones ionizantes. Este modelo asume que no existe un punto umbral y el riesgo aumenta linealmente con una dosis, es decir, el modelo LNT implica que no existe una dosis segura de radiación ionizante. Si este modelo lineal es correcto, entonces la radiación de fondo natural es la fuente de radiación más peligrosa para la salud pública en general, seguida por las imágenes médicas en un cercano segundo lugar. Hay que añadir que la investigación de las dos últimas décadas es muy interesante y muestra que pequeñas dosis de radiación administradas a baja tasa de dosis estimulan los mecanismos de defensa. Por lo tanto, el modelo LNT no se acepta universalmente y algunos proponen una relación adaptativa dosis-respuesta en la que las dosis bajas son protectoras y las dosis altas son perjudiciales. Muchos estudios han contradicho el modelo LNT y muchos de ellos han mostrado una respuesta adaptativa a dosis bajas de radiación que resultan en mutaciones y cánceres reducidos. Por otro lado, es muy importante a qué tipo de radiación está expuesta una persona.
Radiación de fondo natural
La radiación de fondo natural es una radiación ionizante que se origina a partir de una variedad de fuentes naturales. Todas las criaturas vivientes, desde el principio de los tiempos, han estado y siguen estando expuestas a radiaciones ionizantes . Esta radiación no está asociada con ninguna actividad humana. Hay isótopos radiactivos en nuestros cuerpos, casas, aire, agua y en el suelo. Todos también estamos expuestos a la radiación del espacio exterior.
Fuentes de radiación de fondo natural
Dividimos todas estas fuentes de radiación natural en tres grupos:
Supuestos alternativos para la extrapolación del riesgo de cáncer frente a la dosis de radiación a niveles de dosis baja, dado un riesgo conocido a una dosis alta: modelo LNT y modelo de hormesis.
No puedes pasar por la vida sin radiación. El peligro de la radiación ionizante radica en el hecho de que la radiación es invisible y no detectable directamente por los sentidos humanos. Las personas no pueden ver ni sentir la radiación, pero deposita energía en las moléculas del cuerpo.
Pero no se preocupe , las dosis de la radiación de fondo suelen ser muy pequeñas (excepto la exposición al radón). Dosis baja aquí significa pequeñas dosis adicionales comparables a la radiación de fondo normal ( 10 µSv = dosis diaria promedio recibida del fondo natural). El problema es que, a dosis muy bajas, es prácticamente imposible correlacionar cualquier irradiación con ciertos efectos biológicos. Esto se debe a que la tasa de cáncer inicial ya es muy alta y el riesgo de desarrollar cáncer fluctúa en un 40% debido al estilo de vida individual y los efectos ambientales, oscureciendo los efectos sutiles de la radiación de bajo nivel.
Intensidad: dosis aguda y crónica
Los efectos biológicos de la radiación y sus consecuencias dependen en gran medida del nivel de tasa de dosis obtenido. La tasa de dosis es una medida de la intensidad (o potencia) de la dosis de radiación. Las dosis bajas son comunes para la vida diaria. En los siguientes puntos hay algunos ejemplos de exposición a la radiación, que se pueden obtener de varias fuentes.
05 µSv – Dormir junto a alguien
09 µSv : vivir a menos de 30 millas de una planta de energía nuclear durante un año
1 µSv – Comer un plátano
3 µSv : vivir a 50 millas de una central eléctrica de carbón durante un año
10 µSv : dosis diaria promedio recibida de fondo natural
20 µSv – Radiografía de tórax
Desde el punto de vista de las consecuencias biológicas, es muy importante distinguir entre las dosis recibidas durante períodos cortos y prolongados . Por lo tanto, los efectos biológicos de la radiación se dividen típicamente en dos categorías.
Dosis agudas . Una « dosis aguda » ( dosis de alto nivel a corto plazo) es aquella que se produce durante un período de tiempo corto y finito, es decir, dentro de un día.
Dosis crónicas . Una » dosis crónica » ( dosis de bajo nivel a largo plazo) es una dosis que continúa durante un período prolongado de tiempo, es decir, semanas y meses, de modo que se describe mejor mediante una tasa de dosis.
Las dosis altas tienden a matar las células, mientras que las dosis bajas tienden a dañarlas o cambiarlas. Las dosis altas pueden causar quemaduras por radiación visualmente dramáticas y / o una muerte rápida a través del síndrome de radiación aguda . Es poco probable que las dosis agudas por debajo de 250 mGy tengan efectos observables. Las dosis agudas de alrededor de 3 a 5 Gy tienen un 50% de probabilidad de matar a una persona algunas semanas después de la exposición, si la persona no recibe tratamiento médico.
Las dosis bajas distribuidas durante largos períodos de tiempo no causan un problema inmediato en ningún órgano del cuerpo. Los efectos de dosis bajas de radiación ocurren a nivel de la célula y es posible que los resultados no se observen durante muchos años. Además, algunos estudios demuestran que la mayoría de los tejidos humanos exhiben una tolerancia más pronunciada a los efectos de la radiación de baja LET en caso de una exposición prolongada en comparación con una exposición única a una dosis similar.
En protección radiológica, la mayoría de los efectos adversos para la salud de la exposición a las radiaciones se dividen generalmente en dos grandes clases:
Los efectos deterministas son efectos umbral sobre la salud, que están directamente relacionados con la dosis de radiación absorbida y la gravedad del efecto aumenta a medida que aumenta la dosis.
Los efectos estocásticos ocurren por casualidad y generalmente ocurren sin un nivel umbral de dosis. La probabilidad de aparición de efectos estocásticos es proporcional a la dosis, pero la gravedad del efecto es independiente de la dosis recibida.
Efectos deterministas
Los efectos deterministas (o efectos sobre la salud no estocásticos) son efectos sobre la salud que están relacionados directamente con la dosis de radiación absorbida y la gravedad del efecto aumenta a medida que aumenta la dosis. Los efectos deterministas tienen un umbral por debajo del cual no ocurren efectos clínicos detectables. El umbral puede ser muy bajo (del orden de magnitud de 0,1 Gy o superior) y puede variar de una persona a otra. Para dosis entre 0,25 Gy y 0,5 Gy se pueden detectar cambios sanguíneos leves mediante evaluaciones médicas y para dosis entre 0,5 Gy y 1,5 Gy se observarán cambios sanguíneos y se producirán síntomas de náuseas, fatiga y vómitos.
Una vez que se ha superado el umbral, la gravedad de un efecto aumenta con la dosis. La razón de la presencia de esta dosis umbral es que el daño por radiación (mal funcionamiento grave o muerte) de una población crítica de células (las dosis altas tienden a matar células) en un tejido determinado debe mantenerse antes de que la lesión se exprese en una forma clínicamente relevante. . Por lo tanto, los efectos deterministas también se denominan reacción tisular . También se denominan efectos no estocásticos para contrastar con efectos estocásticos similares al azar (p. Ej., Inducción de cáncer).
Los efectos deterministas no son necesariamente más o menos graves que los efectos estocásticos. Las dosis altas pueden causar quemaduras por radiación visualmente dramáticas y / o una muerte rápida a través del síndrome de radiación aguda . Es poco probable que las dosis agudas por debajo de 250 mGy tengan efectos observables. Las dosis agudas de alrededor de 3 a 5 Gy tienen un 50% de probabilidad de matar a una persona algunas semanas después de la exposición, si la persona no recibe tratamiento médico. Los efectos deterministas pueden, en última instancia, conducir a una molestia temporal o también a una muerte. Ejemplos de efectos deterministas:
Ejemplos de efectos deterministas son :
Síndrome de radiación aguda, por radiación aguda de cuerpo entero
Quemaduras por radiación, desde la radiación a una superficie corporal en particular
Tiroiditis inducida por radiación, un posible efecto secundario del tratamiento con radiación contra el hipertiroidismo
Síndrome de radiación crónica, por radiación a largo plazo.
Lesión pulmonar inducida por radiación, desde, por ejemplo, radioterapia dirigida a los pulmones
Efectos estocásticos
Los efectos estocásticosde la radiación ionizante ocurren por casualidad, generalmente sin un nivel umbral de dosis. La probabilidad de aparición de efectos estocásticos es proporcional a la dosis, pero la gravedad del efecto es independiente de la dosis recibida. Los efectos biológicos de la radiación en las personas se pueden agrupar en efectos somáticos y hereditarios . Los efectos somáticos son los que sufre la persona expuesta. Los efectos hereditarios son los que sufre la descendencia del individuo expuesto. El riesgo de cáncer se suele mencionar como el principal efecto estocástico de las radiaciones ionizantes, pero también los trastornos hereditarios son efectos estocásticos.
Según ICRP:
(83) Sobre la base de estos cálculos, la Comisión propone coeficientes de probabilidad nominal para el riesgo de cáncer ajustado por detrimento de 5,5 x 10 -2 Sv -1 para toda la población y 4,1 x 10 -2 Sv -1 para los trabajadores adultos. Para efectos hereditarios, el riesgo nominal ajustado por detrimento en toda la población se estima en 0,2 x 10 -2 Sv -1 y en los trabajadores adultos como 0,1 x 10 -2 Sv -1 .
Referencia especial: ICRP, 2007. Recomendaciones de 2007 de la Comisión Internacional de Protección Radiológica. Publicación 103 de la ICRP. Ann. ICRP 37 (2-4).
La unidad SI para la dosis efectiva , el sievert , representa el efecto biológico equivalente del depósito de un joule de energía de rayos gamma en un kilogramo de tejido humano. Como resultado, un sievert representa un 5,5% de posibilidades de desarrollar cáncer. Tenga en cuenta que la dosis efectiva no pretende ser una medida de los efectos deterministas sobre la salud, que es la gravedad del daño tisular agudo que seguramente ocurrirá, que se mide por la cantidad de dosis absorbida.
Efectos biológicos y límites de dosis
En la protección radiológica, los límites de dosis se establecen para limitar los efectos estocásticos a un nivel aceptable y para evitar por completo los efectos deterministas . Tenga en cuenta que los efectos estocásticos son los que surgen del azar: cuanto mayor es la dosis, más probable es el efecto. Los efectos deterministas son aquellos que normalmente tienen un umbral: por encima de este, la gravedad del efecto aumenta con la dosis. Límites de dosisson un componente fundamental de la protección radiológica, y en la mayoría de los países, violar estos límites va en contra de la regulación radiológica. Tenga en cuenta que los límites de dosis descritos en este artículo se aplican a las operaciones de rutina. No se aplican a una situación de emergencia cuando la vida humana está en peligro. No se aplican en situaciones de exposición de emergencia en las que una persona intenta evitar una situación catastrófica.
Los límites se dividen en dos grupos, el público y los trabajadores ocupacionalmente expuestos. Según la ICRP, la exposición ocupacional se refiere a toda la exposición en la que incurren los trabajadores en el curso de su trabajo, con la excepción de
Exposiciones excluidas y exposiciones de actividades exentas que involucren radiación o fuentes exentas.
cualquier exposición médica
la radiación de fondo natural local normal.
La siguiente tabla resume los límites de dosis para trabajadores expuestos ocupacionalmente y para el público:
Tabla de límites de dosis para trabajadores expuestos ocupacionalmente y para el público. Fuente de datos: ICRP, 2007. Recomendaciones de 2007 de la Comisión Internacional de Protección Radiológica. Publicación 103 de la ICRP. Ann. ICRP 37 (2-4).
Fuente de datos: ICRP, 2007. Recomendaciones de 2007 de la Comisión Internacional de Protección Radiológica. Publicación 103 de la ICRP. Ann. ICRP 37 (2-4).
De acuerdo con la recomendación de la CIPR en su declaración sobre reacciones tisulares del 21 de abril de 2011, el límite de dosis equivalente para el cristalino del ojo para exposición ocupacional en situaciones de exposición planificada se redujo de 150 mSv / año a 20 mSv / año, en promedio durante períodos definidos de 5 años, sin dosis anual en un solo año superior a 50 mSv.
Los límites de la dosis efectiva son la suma de las dosis efectivas pertinentes de la exposición externa en el período de tiempo especificado y la dosis efectiva comprometida de la ingesta de radionucleidos en el mismo período. Para los adultos, la dosis efectiva comprometida se calcula para un período de 50 años después de la ingesta, mientras que para los niños se calcula para el período hasta los 70 años. El límite de dosis efectiva para todo el cuerpo de 20 mSv es un valor promedio durante cinco años. El límite real es de 100 mSv en 5 años, con no más de 50 mSv en cualquier año.
Controversia del modelo LNT
Como se escribió anteriormente ( modelo LNT ), hoy el sistema de protección se basa en la hipótesis LNT, que es un modelo conservador utilizado en protección radiológica para estimar los efectos en la salud de pequeñas dosis de radiación. Este modelo es excelente para configurar un sistema de protección para todo uso de radiación ionizante. En comparación con el modelo de hormesis, el modelo LNT asume que no hay un punto de umbral y el riesgo aumenta linealmente con una dosis, es decir, el modelo LNT implica que no hay una dosis segura de radiación ionizante. Si este modelo lineal es correcto, entonces la radiación de fondo natural es la fuente de radiación más peligrosa para la salud pública en general, seguida por las imágenes médicas en un cercano segundo lugar.
El modelo LNT se basa principalmente en el estudio de duración de vida (LSS) de los supervivientes de la bomba atómica en Japón. Sin embargo, si bien este patrón es indiscutible en dosis altas, esta extrapolación lineal del riesgo a dosis bajas se ve desafiada por muchos experimentos recientes que involucran mecanismos celulares y también existe una alta incertidumbre involucrada en la estimación del riesgo utilizando solo estudios epidemiológicos. El problema es que, a dosis muy bajas, es prácticamente imposible correlacionar cualquier irradiación con ciertos efectos biológicos. Esto se debe a que la tasa de cáncer inicial ya es muy alta y el riesgo de desarrollar cáncer fluctúa en un 40% debido al estilo de vida individual y los efectos ambientales, oscureciendo los efectos sutiles de la radiación de bajo nivel.estimación más conservadora .
En el caso de dosis bajas, su carácter conservador (linealidad) tiene enormes consecuencias y el modelo a veces se utiliza incorrectamente (quizás intencionalmente) para cuantificar el efecto canceroso de dosis colectivas de contaminación radiactiva de bajo nivel. Una curva dosis-efecto lineal permite utilizar dosis colectivas para calcular los efectos perjudiciales para una población irradiada. También se argumenta que el modelo LNT había causado un miedo irracional a la radiación, ya que cada microsievert puede convertirse en la probabilidad de inducción de cáncer, por pequeña que sea esta probabilidad. Por ejemplo, si diez millones de personas reciben una dosis efectiva de 0,1 µSv(equivalente a comer un plátano), entonces la dosis colectiva será S = 1 Sv. ¿Significa que hay un 5,5% de posibilidades de que una persona desarrolle cáncer debido a la ingesta de plátanos? Tenga en cuenta que, para dosis altas, un sievert representa un 5,5% de posibilidades de desarrollar cáncer.
El problema de este modelo es que ignora una serie de procesos biológicos de defensa que pueden ser cruciales en dosis bajas. La investigación durante las últimas dos décadas es muy interesante y muestra que pequeñas dosis de radiación administradas a una tasa de dosis baja estimulan los mecanismos de defensa. Por lo tanto, el modelo LNT no se acepta universalmente y algunos proponen una relación adaptativa dosis-respuesta en la que las dosis bajas son protectoras y las dosis altas son perjudiciales. Muchos estudios han contradicho el modelo LNT y muchos de ellos han mostrado una respuesta adaptativa a dosis bajas de radiación que resultan en mutaciones y cánceres reducidos.
Tipo de radiación: LET alto x LET bajo
Fuente: ICRP Publ. 103: Recomendaciones de 2007 de la Comisión Internacional de Protección Radiológica
Esta sección trata sobre el hecho de que existen varios tipos de radiación ionizante y cada tipo de radiación interactúa con la materia de una manera diferente . Al hablar de la intensidad de la radiación, debemos tener en cuenta a qué tipo de radiación estás expuesto. Por ejemplo, la radiación alfa tiende a viajar solo una distancia corta y no penetra mucho en el tejido, si es que penetra. Por lo tanto, la radiación alfa a veces se considera no peligrosa, ya que no puede penetrar las capas superficiales de la piel humana. Esto es naturalmente cierto, pero no es válido para la exposición interna por radionucleidos alfa. Cuando se inhala o ingiere, la radiación alfa es mucho más peligrosa que otros tipos de radiación. Tenga en cuenta que el factor de ponderación de la radiación para la radiación alfa es igual a 20. Se descubrió que los efectos biológicos de cualquier radiación aumentan con la transferencia de energía lineal (LET). En resumen, el daño biológico de la radiación de alto LET ( partículas alfa , protones o neutrones ) es mucho mayor que el de la radiación de bajo LET ( rayos gamma ).
La radiación ionizante se clasifica según la naturaleza de las partículas u ondas electromagnéticas que crean el efecto ionizante. Estas partículas / ondas tienen diferentes mecanismos de ionización y pueden agruparse como:
Directamente ionizante . Las partículas cargadas ( núcleos atómicos, electrones, positrones, protones, muones, etc. ) pueden ionizar átomos directamente por interacción fundamental a través de la fuerza de Coulomb si lleva suficiente energía cinética. Estas partículas deben moverse a velocidades relativistas para alcanzar la energía cinética requerida. Incluso los fotones (rayos gamma y rayos X) pueden ionizar átomos directamente (a pesar de que son eléctricamente neutros) a través del efecto fotoeléctrico y el efecto Compton, pero la ionización secundaria (indirecta) es mucho más significativa.
Ionizante indirectamente . La radiación ionizante indirecta son partículas eléctricamente neutras y, por lo tanto, no interactúan fuertemente con la materia. La mayor parte de los efectos de ionización se deben a ionizaciones secundarias.
Como se escribió, es crucial que estemos expuestos a la radiación de fuentes externas o internas. Esto es similar a otras sustancias peligrosas. La exposición interna es más peligrosa que la externa, ya que llevamos la fuente de radiación dentro de nuestros cuerpos y no podemos utilizar ninguno de los principios de protección radiológica (tiempo, distancia, blindaje). La ingesta de material radiactivo puede ocurrir a través de diversas vías, como la ingestión de contaminación radiactiva en alimentos o líquidos, la inhalación de gases radiactivos o a través de piel intacta o herida. En este lugar, tenemos que distinguir entre radiación y contaminación. Contaminación radioactivaconsisten en material radiactivo, que genera radiaciones ionizantes. Es la fuente de radiación, no la radiación en sí. Siempre que el material radiactivo no esté en un contenedor de fuente radiactiva sellado y pueda esparcirse sobre otros objetos, existe la posibilidad de contaminación radiactiva. Por ejemplo, el yodo radiactivo , yodo-131 , es un importante radioisótopo del yodo. El yodo radiactivo juega un papel importante como isótopo radiactivo presente en los productos de fisión nuclear, y es uno de los principales contribuyentes a los peligros para la salud cuando se libera a la atmósfera durante un accidente. El yodo-131 tiene una vida media de 8.02 días. El tejido diana de la exposición al yodo radiactivo es la glándula tiroides. La dosis externa de beta y gamma del yodo radiactivo presente en el aire es bastante insignificante en comparación con la dosis asignada a la tiroides que resultaría de respirar este aire.
Consumo de dosis interno
Si la fuente de radiación está dentro de nuestro cuerpo, decimos, es una exposición interna . La ingesta de material radiactivo puede producirse a través de diversas vías, como la ingestión de contaminación radiactiva en alimentos o líquidos, la inhalación de gases radiactivos o a través de piel intacta o herida. La mayoría de los radionúclidos le darán mucha más dosis de radiación si de alguna manera pueden ingresar a su cuerpo, que si permanecieran afuera. Para las dosis internas, primero debemos distinguir entre ingesta y captación. La ingesta significa lo que una persona absorbe. La ingesta significa lo que una persona conserva.
Cuando un compuesto radiactivo ingresa al cuerpo, la actividad disminuirá con el tiempo, debido tanto a la desintegración radiactiva como al aclaramiento biológico . La disminución varía de un compuesto radiactivo a otro. Para ello, la vida media biológica se define en protección radiológica.
La vida media biológica es el tiempo que tarda la cantidad de un elemento particular en el cuerpo en disminuir a la mitad de su valor inicial debido a la eliminación por procesos biológicos solamente, cuando la tasa de eliminación es aproximadamente exponencial. La vida media biológica depende de la velocidad a la que el cuerpo utiliza normalmente un compuesto particular de un elemento. Los isótopos radiactivos que fueron ingeridos o absorbidos a través de otras vías se eliminarán gradualmente del cuerpo a través de los intestinos, los riñones, la respiración y la transpiración. Esto significa que una sustancia radiactiva puede ser expulsada antes de que haya tenido la oportunidad de descomponerse.
Como resultado, la vida media biológica influye significativamente en la vida media efectiva y la dosis total de contaminación interna. Si un compuesto radiactivo con vida media radiactiva (t 1/2 ) se elimina del cuerpo con una vida media biológica t b , la vida media efectiva (t e ) viene dada por la expresión:
Como puede verse, los mecanismos biológicos siempre disminuyen la dosis global por contaminación interna . Además, si t 1/2 es grande en comparación con t b , la vida media efectiva es aproximadamente la misma que t b .
Por ejemplo, el tritio tiene una vida media biológica de unos 10 días, mientras que la vida media radiactiva es de unos 12 años. Por otro lado, los radionucleidos con vidas medias radiactivas muy cortas también tienen vidas medias efectivas muy cortas. Estos radionúclidos administrarán, a todos los efectos prácticos, la dosis total de radiación en los primeros días o semanas después de la ingestión.
Para el tritio, la ingesta límite anual (ALI) es 1 x 10 9 Bq. Si se toma en 1 x 10 9 Bq de tritio, recibirá una dosis de cuerpo entero de 20 mSv. La dosis efectiva comprometida , E (t), es por tanto de 20 mSv. No depende de si una persona realiza esta cantidad de actividad en poco tiempo o en mucho tiempo. En todos los casos, esta persona recibe la misma dosis de 20 mSv para todo el cuerpo.
Contaminación versus radiación
La contaminación radiactiva consiste en material radiactivo que genera radiación ionizante. Es la fuente de radiación, no la radiación en sí. Siempre que el material radiactivo no esté en un contenedor de fuente radiactiva sellado y pueda esparcirse sobre otros objetos, existe la posibilidad de contaminación radiactiva. La contaminación radiactiva puede caracterizarse por los siguientes puntos:
La contaminación radiactiva consiste en material radiactivo (contaminantes), que puede ser sólido, líquido o gaseoso. Los contaminantes grandes pueden incluso ser visibles, pero no se puede ver la radiación producida.
Cuando se liberan, los contaminantes pueden propagarse por aire, agua o simplemente por contacto mecánico.
No podemos proteger la contaminación.
Podemos mitigar la contaminación protegiendo la integridad de las barreras (contenedor de origen, revestimiento de combustible, vasija del reactor , edificio de contención )
Dado que los contaminantes interactúan químicamente, pueden estar contenidos dentro de objetos como el cuerpo humano.
Podemos deshacernos de la contaminación por muchos procesos mecánicos, químicos (descontaminar superficies) o biológicos ( vida media biológica ).
Es de suma importancia qué material es el contaminante radiactivo ( vida media , modo de desintegración, energía).
La radiación ionizante está formada por partículas de alta energía ( fotones , electrones , etc. ), que pueden penetrar la materia e ionizar (para formar iones perdiendo electrones) los átomos objetivo para formar iones. La exposición a la radiación es consecuencia de la presencia cercana a la fuente de radiación. La exposición a la radiación como una cantidad se define como una medida de la ionización del material debido a la radiación ionizante. El peligro de la radiación ionizante radica en el hecho de que la radiación es invisible. y no detectable directamente por los sentidos humanos. Las personas no pueden ver ni sentir la radiación, pero deposita energía en las moléculas del cuerpo. La energía se transfiere en pequeñas cantidades por cada interacción entre la radiación y una molécula y, por lo general, hay muchas de estas interacciones. A diferencia de la contaminación radiactiva, la radiación se puede caracterizar por los siguientes puntos:
La radiación consiste en partículas de alta energía que pueden penetrar la materia e ionizar (para formar iones perdiendo electrones) los átomos objetivo. La radiación es invisible y no detectable directamente por los sentidos humanos. Cabe señalar que la radiación beta es indirectamente visible debido a la radiación de Cherenkov .
A diferencia de la contaminación, la radiación no puede propagarse por ningún medio. Viaja a través de los materiales hasta que pierde su energía. Podemos proteger la radiación (por ejemplo, colocándonos a la vuelta de la esquina).
La exposición a la ionización no significa necesariamente que el objeto se vuelve radiactivo (excepto una radiación de neutrones muy rara).
La radiación puede atravesar las barreras, pero una barrera suficientemente gruesa puede minimizar todos los efectos.
A diferencia de los contaminantes, la radiación no puede interactuar químicamente con la materia y no puede unirse al interior del cuerpo.
No es importante qué material es la fuente de cierta radiación. Solo importa el tipo de radiación y energía.
Contaminación aérea
La contaminación del aire es de particular importancia en las centrales nucleares , donde debe ser monitoreada. Los contaminantes pueden transportarse por el aire, especialmente durante la extracción del cabezal superior del reactor, el reabastecimiento de combustible del reactor y durante las manipulaciones dentro de la piscina de combustible gastado. El aire puede estar contaminado con isótopos radiactivos, especialmente en forma de partículas, lo que representa un peligro particular de inhalación . Esta contaminación consiste en varios productos de fisión y activación que ingresan al aire en forma de gas, vapor o partículas. Hay cuatro tipos de contaminación del aire en las plantas de energía nuclear, a saber:
Partículas . La actividad de partículas es un peligro interno, porque puede inhalarse. El material particulado transportable que ingresa al sistema respiratorio ingresará al torrente sanguíneo y será transportado a todas las partes del cuerpo. Las partículas no transportables permanecerán en los pulmones con una cierta vida media biológica. Por ejemplo, Sr-90, Ra-226 y Pu-239 son radionucleidos conocidos como radionucleidos que buscan hueso. Estos radionucleidos tienen una vida media biológica prolongada y son peligros internos graves. Una vez depositados en el hueso, permanecen allí esencialmente sin cambios durante la vida del individuo. La acción continua de las partículas alfa emitidas. Puede causar lesiones importantes: durante muchos años depositan toda su energía en un volumen minúsculo de tejido, porque el rango de las partículas alfa es muy corto.
Gases nobles . Los gases nobles radiactivos, como el xenón-133 , el xenón-135 y el criptón-85, están presentes en el refrigerante del reactor, especialmente cuando hay fugas de combustible. A medida que aparecen en el refrigerante, se transportan por el aire y pueden inhalarse. Se exhalan inmediatamente después de inhalarlos, porque el cuerpo no reacciona químicamente con ellos. Si los trabajadores están trabajando en una nube de gas noble, la dosis externa que recibirán es aproximadamente 1000 veces mayor que la dosis interna. Debido a esto, solo nos preocupan las tasas de dosis externas beta y gamma.
Yodo radiactivo . El yodo radiactivo , yodo-131 , es un importante radioisótopo del yodo. El yodo radiactivo desempeña un papel importante como isótopo radiactivo presente en los productos de fisión nuclear y es un factor importante que contribuye a los peligros para la salud cuando se libera a la atmósfera durante un accidente. El yodo-131 tiene una vida media de 8.02 días. El tejido diana de la exposición al yodo radiactivo es la glándula tiroides. La dosis externa de beta y gamma del yodo radiactivo presente en el aire es bastante insignificante en comparación con la dosis asignada a la tiroides que resultaría de respirar este aire. La vida media biológica para el yodo dentro del cuerpo humano es de aproximadamente 80 días (según ICRP). El cuerpo absorbe el yodo de los alimentos y se concentra preferentemente en la tiroides, donde es necesario para el funcionamiento de esa glándula. Cuando el 131 I está presente en niveles altos en el medio ambiente debido a la lluvia radiactiva, puede absorberse a través de alimentos contaminados y también se acumulará en la tiroides. El 131 I se desintegra con una vida media de 8.02 días con partículas beta y emisiones gamma. A medida que se descompone, puede dañar la tiroides. El riesgo principal de la exposición a niveles altos de 131 I es la posibilidad de aparición de cáncer de tiroides radiogénico en una etapa posterior de la vida. Para 131 I, la ICRP ha calculado que si inhala 1 x 10 6 Bq, recibirá una dosis tiroidea de H T = 400 mSv (y una dosis ponderada para todo el cuerpo de 20 mSv).
Tritio. El tritio es un subproducto de los reactores nucleares . La fuente más importante (debido a las liberaciones de agua tritiada) de tritio en las plantas de energía nuclear proviene del ácido bórico , que se usa comúnmente como calce químico. para compensar un exceso de reactividad inicial. Tenga en cuenta que el tritio emite partículas beta de baja energía con un rango corto en los tejidos corporales y, por lo tanto, representa un riesgo para la salud como resultado de la exposición interna solo después de la ingestión en agua potable o alimentos, o inhalación o absorción a través de la piel. El tritio que ingresa al cuerpo se distribuye uniformemente entre todos los tejidos blandos. Según la ICRP, el tiempo medio biológico del tritio es de 10 días para el HTO y de 40 días para el OBT (tritio unido orgánicamente) formado a partir del HTO en el cuerpo de los adultos. Como resultado, para una ingesta de 1 x 10 9 Bq de tritio (HTO), un individuo obtendrá una dosis de 20 mSv para todo el cuerpo (igual a la ingesta de 1 x 10 6 Bq de 131 I). Mientras que para los PWR el tritio representa un riesgo menor para la salud, para reactores de agua pesada , contribuye significativamente a la dosis colectiva de los trabajadores de la planta. Tenga en cuenta que, “El aire saturado con agua moderadora a 35 ° C puede dar 3 000 mSv / h de tritio a un trabajador desprotegido (Ver también: JUBurnham. Protección contra radiación). La mejor protección contra el tritio se puede lograr utilizando un respirador con suministro de aire. Los respiradores de cartucho de tritio protegen a los trabajadores solo por un factor de 3. La única forma de reducir la absorción cutánea es usando plásticos. En las centrales eléctricas PHWR, los trabajadores deben usar plásticos para trabajar en atmósferas que contengan más de 500 μSv / h.
Coherencia en todos los riesgos
Por último, se trata de los riesgos derivados de la exposición a las radiaciones ionizantes y de la coherencia de todos los riesgos de la vida cotidiana . En general, peligro (también riesgo o peligro) es la posibilidad de que suceda algo malo. Una situación en la que existe el riesgo de que suceda algo malo se denomina peligrosa, arriesgada o peligrosa. Sí, el término radiación ionizante suena muy peligroso, pero ¿qué tan peligrosa es exactamente la radiación ?
Los seres humanos a menudo somos inconsistentes en nuestro tratamiento de los riesgos percibidos. Aunque dos situaciones pueden tener riesgos similares, las personas encontrarán una situación permisible y otra injustificadamente peligrosa. Para los riesgos de radiación, las dosis al público deben mantenerse por debajo de 1 mSv / año. Incluso para un caso muy conservador de suposición lineal sin umbral, un milisievert representa una probabilidad del 0,0055% de algunos efectos perjudiciales para la salud. Dos puntos:
En nuestra opinión, este es un riesgo aceptable. Tenga en cuenta que, las dosis anuales de radiación de fondo natural en un promedio de alrededor de 3,7 mSv / año ( 10 µSv = dosis diaria promedio recibida de fondo natural).
Además, el problema de este modelo es que ignora una serie de procesos biológicos de defensa que pueden ser cruciales en dosis bajas . La investigación durante las últimas dos décadas es muy interesante y muestra que pequeñas dosis de radiación administradas a una tasa de dosis baja estimulan los mecanismos de defensa .
La dosis recibida anualmente de 1 mSv provoca de forma muy conservadora alrededor del 0,0055% de posibilidades de algunos efectos perjudiciales para la salud. En abril de 2012, un año después del accidente de Fukushima, se supone que se realizarán esfuerzos de limpieza donde la dosis de radiación exceda las regulaciones gubernamentales. Ciudades enteras todavía están fuera de los límites porque se proyecta que la dosis anual desde el suelo será superior a 50 mSv o incluso 20 mSv , dejando a muchas personas en el área sin hogar y sin trabajo. Pero, ¿alguien tuvo en cuenta los efectos en la salud de esta evacuación ? Las consecuencias de la radiación de bajo nivel suelen ser más psicológicas que radiológicas.. La evacuación forzada de un accidente nuclear o radiológico puede provocar aislamiento social, ansiedad, depresión, problemas médicos psicosomáticos, comportamientos imprudentes e incluso el suicidio. Tal fue el resultado del desastre nuclear de Chernobyl en Ucrania en 1986. Un amplio estudio de 2005 concluyó que «el impacto de Chernobyl en la salud mental es el mayor problema de salud pública desatado por el accidente hasta la fecha». Pero, ¿y si el modelo de umbral es cierto?y dosis de hasta 100 mSv / año en realidad no dan como resultado riesgos para la salud detectables? Esto significaría que a las personas se las mantiene alejadas innecesariamente y se les impide trabajar en sus granjas por efectos insignificantes en la salud. Recuerde que la dosis anual en algunas partes de Araxa, Brasil, es superior a 20 mSv, mientras que la dosis promedio examinada en los estudios de trabajadores nucleares de tres países fue de 30-40 mSv / año, y que estos estudios no encontraron un aumento significativo en los cánceres sólidos o leucemias de esas dosis.
Se puede obtener otro punto de vista cuando consideramos todos los
La fuerza débil y la fuerza gravitacional son dos de las cuatro fuerzas fundamentales. Ellos son muy diferentes. Este artículo resume estas diferencias.
Interacción débil – Fuerza débil
La interacción débil o fuerza débil es una de las cuatro fuerzas fundamentales e implica el intercambio de los bosones vectoriales intermedios, W y Z. Dado que estos bosones son muy masivos (del orden de 80 GeV, el principio de incertidumbre dicta un rango de unos 10-18 metros, que es menos que el diámetro de un protón, por lo que la interacción débil tiene lugar sólo a distancias subatómicas muy pequeñas.
La interacción débil responsable de algunos fenómenos nucleares como la desintegración beta , que se puede entender en términos de la fuerza débil que opera sobre los quarks dentro del neutrón . Uno de los dos quarks abajo se transforma en un quark arriba por la emisión de un W – Higgs (se lleva una carga negativa). El W – Higgs luego se desintegra en un partícula beta y un antineutrino . Este proceso es equivalente al proceso en el que un neutrino interactúa con un neutrón.
Interacción gravitacional – Fuerza gravitacional
La gravedad fue la primera fuerza que se investigó científicamente. La fuerza gravitacional fue descrita sistemáticamente por Isaac Newton en el siglo XVII. Newton afirmó que la fuerza gravitacional actúa entre todos los objetos que tienen masa (incluidos los objetos que van desde átomos y fotones, hasta planetas y estrellas) y es directamente proporcional a las masas de los cuerpos e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre los cuerpos. Dado que la energía y la masa son equivalentes , todas las formas de energía (incluida la luz) causan gravitación y están bajo su influencia. El rango de esta fuerza es ∞ y es más débil que las otras fuerzas. Esta relación se muestra en la siguiente ecuación.
La ecuación ilustra que cuanto mayor es la masa de los objetos o menor es la distancia entre los objetos, mayor es la fuerza gravitacional . Entonces, aunque las masas de los nucleones son muy pequeñas, el hecho de que la distancia entre los nucleones sea extremadamente corta puede hacer que la fuerza gravitacional sea significativa. La fuerza gravitacional entre dos protones que están separados por una distancia de 10 a 20 metros es de aproximadamente 10 a 24 newton. La gravedad es la más débil de las cuatro fuerzas fundamentales de la física, aproximadamente 10 38 veces más débil que la fuerza fuerte. Por otro lado, la gravedad es aditiva.. Cada partícula de materia que coloca en un bulto contribuye a la gravedad general del bulto. Dado que también es una fuerza de muy largo alcance, es la fuerza dominante a escala macroscópica y es la causa de la formación, forma y trayectoria (órbita) de los cuerpos astronómicos.
Fuerza débil vs fuerza gravitacional
& nbsp;
Referencias:
Física nuclear y de reactores:
JR Lamarsh, Introducción a la teoría de los reactores nucleares, 2ª ed., Addison-Wesley, Reading, MA (1983).
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introducción a la ingeniería nuclear, 3d ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
WM Stacey, Física de reactores nucleares, John Wiley & Sons, 2001, ISBN: 0-471-39127-1.
Glasstone, Sesonske. Ingeniería de Reactores Nucleares: Ingeniería de Sistemas de Reactores, Springer; 4a edición, 1994, ISBN: 978-0412985317
WSC Williams. Física nuclear y de partículas. Prensa de Clarendon; 1 edición, 1991, ISBN: 978-0198520467
GRKeepin. Física de la cinética nuclear. Addison-Wesley Pub. Co; 1a edición, 1965
Robert Reed Burn, Introducción a la operación de reactores nucleares, 1988.
Departamento de Energía, Física Nuclear y Teoría de Reactores de EE. UU. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
Paul Reuss, Física de neutrones. EDP Sciences, 2008. ISBN: 978-2759800414.
Física avanzada de reactores:
KO Ott, WA Bezella, Introductory Nuclear Reactor Statics, American Nuclear Society, edición revisada (1989), 1989, ISBN: 0-894-48033-2.
KO Ott, RJ Neuhold, Introducción a la dinámica de los reactores nucleares, Sociedad Nuclear Estadounidense, 1985, ISBN: 0-894-48029-4.
DL Hetrick, Dinámica de los reactores nucleares, Sociedad Nuclear Estadounidense, 1993, ISBN: 0-894-48453-2.
EE Lewis, WF Miller, Métodos computacionales de transporte de neutrones, American Nuclear Society, 1993, ISBN: 0-894-48452-4.
Ver también:
Fuerza débil
Esperamos que este artículo, Fuerza débil vs Fuerza gravitacional , te ayude. Si es así, danos un me gusta en la barra lateral. El objetivo principal de este sitio web es ayudar al público a conocer información importante e interesante sobre los materiales y sus propiedades.
La fuerza débil y la fuerza electromagnética son dos de las cuatro fuerzas fundamentales. Ellos son muy diferentes. Este artículo resume estas diferencias.
Interacción débil – Fuerza débil
La interacción débil o fuerza débil es una de las cuatro fuerzas fundamentales e implica el intercambio de los bosones vectoriales intermedios, W y Z. Dado que estos bosones son muy masivos (del orden de 80 GeV, el principio de incertidumbre dicta un rango de unos 10-18 metros, que es menos que el diámetro de un protón, por lo que la interacción débil tiene lugar sólo a distancias subatómicas muy pequeñas.
La interacción débil responsable de algunos fenómenos nucleares como la desintegración beta , que se puede entender en términos de la fuerza débil que opera sobre los quarks dentro del neutrón . Uno de los dos quarks abajo se transforma en un quark arriba por la emisión de un W – Higgs (se lleva una carga negativa). El W – Higgs luego se desintegra en un partícula beta y un antineutrino . Este proceso es equivalente al proceso en el que un neutrino interactúa con un neutrón.
La fuerza electromagnética es la fuerza responsable de todos los procesos electromagnéticos. Actúa entre partículas cargadas eléctricamente. Es una fuerza de rango infinito, mucho más fuerte que la fuerza gravitacional , obedece a la ley del cuadrado inverso, pero ni la electricidad ni el magnetismo se suman de la forma en que lo hace la fuerza gravitacional. Dado que hay cargas positivas y negativas (polos), estas cargas tienden a anularse entre sí. El electromagnetismo incluye la fuerza electrostática que actúa entre partículas cargadas en reposo y el efecto combinado de fuerzas eléctricas y magnéticas que actúan entre partículas cargadas que se mueven entre sí.
El fotón , el cuanto de radiación electromagnética , es una partícula elemental, que es el portador de fuerza de la fuerza electromagnética. Los fotones son bosones gauge que no tienen carga eléctrica ni masa en reposo y tienen una unidad de giro. Todos los fotones tienen en común la velocidad de la luz , la constante universal de la física. En el espacio vacío, el fotón se mueve en c ( la velocidad de la luz: 299 792 458 metros por segundo ).
Las fuerzas entre partículas cargadas eléctricamente estáticas se rigen por la ley de Coulomb . La ley de Coulomb se puede utilizar para calcular la fuerza entre partículas cargadas (por ejemplo, dos protones). La fuerza electrostática es directamente proporcional a las cargas eléctricas de las dos partículas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre las partículas. La ley de Coulomb se establece como la siguiente ecuación.
Tanto la ley de Coulomb como la fuerza magnética se resumen en la ley de fuerza de Lorentz. Fundamentalmente, tanto las fuerzas magnéticas como las eléctricas son manifestaciones de una fuerza de intercambio que implica el intercambio de fotones.
La fuerza electromagnética juega un papel importante en la determinación de las propiedades internas de la mayoría de los objetos que se encuentran en la vida diaria. Las propiedades químicas de los átomos y las moléculas están determinadas por el número de protones, de hecho, por el número y la disposición de los electrones .
Fuerza débil vs fuerza electromagnética
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Referencias:
Física nuclear y de reactores:
JR Lamarsh, Introducción a la teoría de los reactores nucleares, 2ª ed., Addison-Wesley, Reading, MA (1983).
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introducción a la ingeniería nuclear, 3d ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
WM Stacey, Física de reactores nucleares, John Wiley & Sons, 2001, ISBN: 0-471-39127-1.
Glasstone, Sesonske. Ingeniería de Reactores Nucleares: Ingeniería de Sistemas de Reactores, Springer; 4a edición, 1994, ISBN: 978-0412985317
WSC Williams. Física nuclear y de partículas. Prensa de Clarendon; 1 edición, 1991, ISBN: 978-0198520467
GRKeepin. Física de la cinética nuclear. Addison-Wesley Pub. Co; 1a edición, 1965
Robert Reed Burn, Introducción a la operación de reactores nucleares, 1988.
Departamento de Energía, Física Nuclear y Teoría de Reactores de EE. UU. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
Paul Reuss, Física de neutrones. EDP Sciences, 2008. ISBN: 978-2759800414.
Física avanzada de reactores:
KO Ott, WA Bezella, Introductory Nuclear Reactor Statics, American Nuclear Society, edición revisada (1989), 1989, ISBN: 0-894-48033-2.
KO Ott, RJ Neuhold, Introducción a la dinámica de los reactores nucleares, Sociedad Nuclear Estadounidense, 1985, ISBN: 0-894-48029-4.
DL Hetrick, Dinámica de los reactores nucleares, Sociedad Nuclear Estadounidense, 1993, ISBN: 0-894-48453-2.
EE Lewis, WF Miller, Métodos computacionales de transporte de neutrones, American Nuclear Society, 1993, ISBN: 0-894-48452-4.
Ver también:
Fuerza débil
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La fuerza electromagnética y la fuerza gravitacional son dos de las cuatro fuerzas fundamentales. Ellos son muy diferentes. Este artículo resume estas diferencias.
La fuerza electromagnética es la fuerza responsable de todos los procesos electromagnéticos. Actúa entre partículas cargadas eléctricamente. Es una fuerza de rango infinito, mucho más fuerte que la fuerza gravitacional , obedece a la ley del cuadrado inverso, pero ni la electricidad ni el magnetismo se suman de la forma en que lo hace la fuerza gravitacional. Dado que hay cargas positivas y negativas (polos), estas cargas tienden a anularse entre sí. El electromagnetismo incluye la fuerza electrostática que actúa entre partículas cargadas en reposo y el efecto combinado de fuerzas eléctricas y magnéticas que actúan entre partículas cargadas que se mueven entre sí.
El fotón , el cuanto de radiación electromagnética , es una partícula elemental, que es el portador de fuerza de la fuerza electromagnética. Los fotones son bosones gauge que no tienen carga eléctrica ni masa en reposo y tienen una unidad de giro. Todos los fotones tienen en común la velocidad de la luz , la constante universal de la física. En el espacio vacío, el fotón se mueve en c ( la velocidad de la luz: 299 792 458 metros por segundo ).
Las fuerzas entre partículas cargadas eléctricamente estáticas se rigen por la ley de Coulomb . La ley de Coulomb se puede utilizar para calcular la fuerza entre partículas cargadas (por ejemplo, dos protones). La fuerza electrostática es directamente proporcional a las cargas eléctricas de las dos partículas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre las partículas. La ley de Coulomb se establece como la siguiente ecuación.
Tanto la ley de Coulomb como la fuerza magnética se resumen en la ley de fuerza de Lorentz. Fundamentalmente, tanto las fuerzas magnéticas como las eléctricas son manifestaciones de una fuerza de intercambio que implica el intercambio de fotones.
La fuerza electromagnética juega un papel importante en la determinación de las propiedades internas de la mayoría de los objetos que se encuentran en la vida diaria. Las propiedades químicas de los átomos y las moléculas están determinadas por el número de protones, de hecho, por el número y la disposición de los electrones .
Interacción gravitacional – Fuerza gravitacional
La gravedad fue la primera fuerza que se investigó científicamente. La fuerza gravitacional fue descrita sistemáticamente por Isaac Newton en el siglo XVII. Newton afirmó que la fuerza gravitacional actúa entre todos los objetos que tienen masa (incluidos los objetos que van desde átomos y fotones, hasta planetas y estrellas) y es directamente proporcional a las masas de los cuerpos e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre los cuerpos. Dado que la energía y la masa son equivalentes , todas las formas de energía (incluida la luz) causan gravitación y están bajo su influencia. El rango de esta fuerza es ∞ y es más débil que las otras fuerzas. Esta relación se muestra en la siguiente ecuación.
La ecuación ilustra que cuanto mayor es la masa de los objetos o menor es la distancia entre los objetos, mayor es la fuerza gravitacional . Entonces, aunque las masas de los nucleones son muy pequeñas, el hecho de que la distancia entre los nucleones sea extremadamente corta puede hacer que la fuerza gravitacional sea significativa. La fuerza gravitacional entre dos protones que están separados por una distancia de 10 a 20 metros es de aproximadamente 10 a 24 newton. La gravedad es la más débil de las cuatro fuerzas fundamentales de la física, aproximadamente 10 38 veces más débil que la fuerza fuerte. Por otro lado, la gravedad es aditiva.. Cada partícula de materia que coloca en un bulto contribuye a la gravedad general del bulto. Dado que también es una fuerza de muy largo alcance, es la fuerza dominante a escala macroscópica y es la causa de la formación, forma y trayectoria (órbita) de los cuerpos astronómicos.
Fuerza electromagnética vs fuerza gravitacional
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Referencias:
Física nuclear y de reactores:
JR Lamarsh, Introducción a la teoría de los reactores nucleares, 2ª ed., Addison-Wesley, Reading, MA (1983).
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introducción a la ingeniería nuclear, 3d ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
WM Stacey, Física de reactores nucleares, John Wiley & Sons, 2001, ISBN: 0-471-39127-1.
Glasstone, Sesonske. Ingeniería de Reactores Nucleares: Ingeniería de Sistemas de Reactores, Springer; 4a edición, 1994, ISBN: 978-0412985317
WSC Williams. Física nuclear y de partículas. Prensa de Clarendon; 1 edición, 1991, ISBN: 978-0198520467
GRKeepin. Física de la cinética nuclear. Addison-Wesley Pub. Co; 1a edición, 1965
Robert Reed Burn, Introducción a la operación de reactores nucleares, 1988.
Departamento de Energía, Física Nuclear y Teoría de Reactores de EE. UU. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
Paul Reuss, Física de neutrones. EDP Sciences, 2008. ISBN: 978-2759800414.
Física avanzada de reactores:
KO Ott, WA Bezella, Introductory Nuclear Reactor Statics, American Nuclear Society, edición revisada (1989), 1989, ISBN: 0-894-48033-2.
KO Ott, RJ Neuhold, Introducción a la dinámica de los reactores nucleares, Sociedad Nuclear Estadounidense, 1985, ISBN: 0-894-48029-4.
DL Hetrick, Dinámica de los reactores nucleares, Sociedad Nuclear Estadounidense, 1993, ISBN: 0-894-48453-2.
EE Lewis, WF Miller, Métodos computacionales de transporte de neutrones, American Nuclear Society, 1993, ISBN: 0-894-48452-4.
Ver también:
Fuerza electromagnética
Esperamos que este artículo, Fuerza electromagnética frente a fuerza gravitacional , te ayude. Si es así, danos un me gusta en la barra lateral. El objetivo principal de este sitio web es ayudar al público a conocer información importante e interesante sobre los materiales y sus propiedades.
La fuerza fuerte y la fuerza gravitacional son dos de las cuatro fuerzas fundamentales. Ellos son muy diferentes. Este artículo resume estas diferencias.
Interacción fuerte – Fuerza fuerte
La interacción fuerte o fuerza fuerte es una de las cuatro fuerzas fundamentales e implica el intercambio de los bosones gauge del vector conocidos como gluones . En general, la interacción fuerte es una interacción muy complicada, porque varía significativamente con la distancia. La fuerza nuclear fuerte mantiene unida la mayor parte de la materia ordinaria porque confina a los quarks en partículas de hadrones como el protón y el neutrón . Además, la fuerza fuerte es la fuerza que puede mantener unido un núcleo contra las enormes fuerzas de repulsión ( fuerza electromagnética) de los protones es realmente fuerte. Desde este punto de vista, tenemos que distinguir entre:
Fuerza fuerte fundamental. La fuerza fuerte fundamental, o la fuerza fuerte, es una fuerza de rango muy corto (menos de aproximadamente 0,8 fm, el radio de un nucleón), que actúa directamente entre quarks . Esta fuerza mantiene unidos a los quarks para formar protones, neutrones y otras partículas de hadrones. La fuerte interacción está mediada por el intercambio de partículas sin masa llamadas gluones que actúan entre quarks, antiquarks y otros gluones.
Fuerza fuerte residual. La fuerza fuerte residual, también conocida como fuerza nuclear , es una fuerza de rango muy corto (alrededor de 1 a 3 fm), que actúa para mantener unidos a los neutrones y protones en los núcleos. En los núcleos, esta fuerza actúa contra la enorme fuerza electromagnética repulsiva de los protones. El término residual está asociado con el hecho de que es el residuo de la fuerte interacción fundamental entre los quarks que forman los protones y los neutrones. La fuerza fuerte residual actúa indirectamente a través de los mesones virtuales π y ρ , que transmiten la fuerza entre los nucleones que mantiene unido el núcleo.
Interacción gravitacional – Fuerza gravitacional
La gravedad fue la primera fuerza que se investigó científicamente. La fuerza gravitacional fue descrita sistemáticamente por Isaac Newton en el siglo XVII. Newton afirmó que la fuerza gravitacional actúa entre todos los objetos que tienen masa (incluidos los objetos que van desde átomos y fotones, hasta planetas y estrellas) y es directamente proporcional a las masas de los cuerpos e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre los cuerpos. Dado que la energía y la masa son equivalentes , todas las formas de energía (incluida la luz) causan gravitación y están bajo su influencia. El rango de esta fuerza es ∞ y es más débil que las otras fuerzas. Esta relación se muestra en la siguiente ecuación.
La ecuación ilustra que cuanto mayor es la masa de los objetos o menor es la distancia entre los objetos, mayor es la fuerza gravitacional . Entonces, aunque las masas de los nucleones son muy pequeñas, el hecho de que la distancia entre los nucleones sea extremadamente corta puede hacer que la fuerza gravitacional sea significativa. La fuerza gravitacional entre dos protones que están separados por una distancia de 10 a 20 metros es de aproximadamente 10 a 24 newton. La gravedad es la más débil de las cuatro fuerzas fundamentales de la física, aproximadamente 10 38 veces más débil que la fuerza fuerte. Por otro lado, la gravedad es aditiva.. Cada partícula de materia que coloca en un bulto contribuye a la gravedad general del bulto. Dado que también es una fuerza de muy largo alcance, es la fuerza dominante a escala macroscópica y es la causa de la formación, forma y trayectoria (órbita) de los cuerpos astronómicos.
Fuerza fuerte vs fuerza gravitacional
& nbsp;
Referencias:
Física nuclear y de reactores:
JR Lamarsh, Introducción a la teoría de los reactores nucleares, 2ª ed., Addison-Wesley, Reading, MA (1983).
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introducción a la ingeniería nuclear, 3d ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
WM Stacey, Física de reactores nucleares, John Wiley & Sons, 2001, ISBN: 0-471-39127-1.
Glasstone, Sesonske. Ingeniería de Reactores Nucleares: Ingeniería de Sistemas de Reactores, Springer; 4a edición, 1994, ISBN: 978-0412985317
WSC Williams. Física nuclear y de partículas. Prensa de Clarendon; 1 edición, 1991, ISBN: 978-0198520467
GRKeepin. Física de la cinética nuclear. Addison-Wesley Pub. Co; 1a edición, 1965
Robert Reed Burn, Introducción a la operación de reactores nucleares, 1988.
Departamento de Energía, Física Nuclear y Teoría de Reactores de EE. UU. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
Paul Reuss, Física de neutrones. EDP Sciences, 2008. ISBN: 978-2759800414.
Física avanzada de reactores:
KO Ott, WA Bezella, Introductory Nuclear Reactor Statics, American Nuclear Society, edición revisada (1989), 1989, ISBN: 0-894-48033-2.
KO Ott, RJ Neuhold, Introducción a la dinámica de los reactores nucleares, Sociedad Nuclear Estadounidense, 1985, ISBN: 0-894-48029-4.
DL Hetrick, Dinámica de los reactores nucleares, Sociedad Nuclear Estadounidense, 1993, ISBN: 0-894-48453-2.
EE Lewis, WF Miller, Métodos computacionales de transporte de neutrones, American Nuclear Society, 1993, ISBN: 0-894-48452-4.
Ver también:
Fuerza fuerte
Esperamos que este artículo, Strong Force vs Gravitational Force , te ayude. Si es así, danos un me gusta en la barra lateral. El objetivo principal de este sitio web es ayudar al público a conocer información importante e interesante sobre los materiales y sus propiedades.
La fuerza fuerte y la fuerza electromagnética son dos de las cuatro fuerzas fundamentales. Ellos son muy diferentes. Este artículo resume estas diferencias.
Interacción fuerte – Fuerza fuerte
La interacción fuerte o fuerza fuerte es una de las cuatro fuerzas fundamentales e implica el intercambio de los bosones gauge del vector conocidos como gluones . En general, la interacción fuerte es una interacción muy complicada, porque varía significativamente con la distancia. La fuerza nuclear fuerte mantiene unida la mayor parte de la materia ordinaria porque confina a los quarks en partículas de hadrones como el protón y el neutrón . Además, la fuerza fuerte es la fuerza que puede mantener unido un núcleo contra las enormes fuerzas de repulsión ( fuerza electromagnética) de los protones es realmente fuerte. Desde este punto de vista, tenemos que distinguir entre:
Fuerza fuerte fundamental. La fuerza fuerte fundamental, o la fuerza fuerte, es una fuerza de rango muy corto (menos de aproximadamente 0,8 fm, el radio de un nucleón), que actúa directamente entre quarks . Esta fuerza mantiene unidos a los quarks para formar protones, neutrones y otras partículas de hadrones. La fuerte interacción está mediada por el intercambio de partículas sin masa llamadas gluones que actúan entre quarks, antiquarks y otros gluones.
Fuerza fuerte residual. La fuerza fuerte residual, también conocida como fuerza nuclear , es una fuerza de rango muy corto (alrededor de 1 a 3 fm), que actúa para mantener unidos a los neutrones y protones en los núcleos. En los núcleos, esta fuerza actúa contra la enorme fuerza electromagnética repulsiva de los protones. El término residual está asociado con el hecho de que es el residuo de la fuerte interacción fundamental entre los quarks que forman los protones y los neutrones. La fuerza fuerte residual actúa indirectamente a través de los mesones virtuales π y ρ , que transmiten la fuerza entre los nucleones que mantiene unido el núcleo.
La fuerza electromagnética es la fuerza responsable de todos los procesos electromagnéticos. Actúa entre partículas cargadas eléctricamente. Es una fuerza de rango infinito, mucho más fuerte que la fuerza gravitacional , obedece a la ley del cuadrado inverso, pero ni la electricidad ni el magnetismo se suman de la forma en que lo hace la fuerza gravitacional. Dado que hay cargas positivas y negativas (polos), estas cargas tienden a anularse entre sí. El electromagnetismo incluye la fuerza electrostática que actúa entre partículas cargadas en reposo y el efecto combinado de fuerzas eléctricas y magnéticas que actúan entre partículas cargadas que se mueven entre sí.
El fotón , el cuanto de radiación electromagnética , es una partícula elemental, que es el portador de fuerza de la fuerza electromagnética. Los fotones son bosones gauge que no tienen carga eléctrica ni masa en reposo y tienen una unidad de giro. Todos los fotones tienen en común la velocidad de la luz , la constante universal de la física. En el espacio vacío, el fotón se mueve en c ( la velocidad de la luz: 299 792 458 metros por segundo ).
Las fuerzas entre partículas cargadas eléctricamente estáticas se rigen por la ley de Coulomb . La ley de Coulomb se puede utilizar para calcular la fuerza entre partículas cargadas (por ejemplo, dos protones). La fuerza electrostática es directamente proporcional a las cargas eléctricas de las dos partículas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre las partículas. La ley de Coulomb se establece como la siguiente ecuación.
Tanto la ley de Coulomb como la fuerza magnética se resumen en la ley de fuerza de Lorentz. Fundamentalmente, tanto las fuerzas magnéticas como las eléctricas son manifestaciones de una fuerza de intercambio que implica el intercambio de fotones.
La fuerza electromagnética juega un papel importante en la determinación de las propiedades internas de la mayoría de los objetos que se encuentran en la vida diaria. Las propiedades químicas de los átomos y las moléculas están determinadas por el número de protones, de hecho, por el número y la disposición de los electrones .
Fuerza fuerte vs fuerza electromagnética
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Referencias:
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Ver también:
Fuerza fuerte
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Un elemento químico es una especie de átomo que tiene el mismo número de protones en sus núcleos atómicos (es decir, el mismo número atómico, o Z). Por ejemplo, el número atómico del carbono es 6, por lo que el elemento carbono consta de todos los átomos que tienen exactamente 6 protones. Propiedades del material
Un elemento químico es una especie de átomo que tiene el mismo número de protones en sus núcleos atómicos (es decir, el mismo número atómico, o Z). Por ejemplo, el número atómico del carbono es 6, por lo que el elemento carbono consta de todos los átomos que tienen exactamente 6 protones.
Las propiedades químicas del átomo están determinadas por el número de protones, de hecho, por el número y disposición de los electrones. La configuración de estos electrones se deriva de los principios de la mecánica cuántica. El número de electrones en las capas de electrones de cada elemento, particularmente la capa de valencia más externa, es el factor principal para determinar su comportamiento de enlace químico. En la tabla periódica, los elementos se enumeran en orden de número atómico creciente Z.
Tabla periódica
La tabla periódica es una disposición tabular de los elementos químicos. Está organizado en orden creciente de número atómico. Existe un patrón recurrente llamado «ley periódica» en sus propiedades, en el que los elementos de la misma columna (grupo) tienen propiedades similares. Generalmente, dentro de una fila (período) los elementos son metales a la izquierda y no metales a la derecha, con los elementos que tienen comportamientos químicos similares colocados en la misma columna.
Propiedades químicas de los elementos
Todo sólido, líquido, gas y plasma está compuesto por átomos neutros o ionizados. Las propiedades químicas del átomo están determinadas por el número de protones, de hecho, por el número y la disposición de los electrones. La configuración de estos electrones se deriva de los principios de la mecánica cuántica. El número de electrones en las capas de electrones de cada elemento, particularmente la capa de valencia más externa, es el factor principal para determinar su comportamiento de enlace químico. En la tabla periódica, los elementos se enumeran en orden de número atómico creciente Z.
El número total de protones en el núcleo de un átomo se llama el número atómico (o el número de protones ) del átomo y se le da el símbolo Z . El número de electrones en un átomo eléctricamente neutro es el mismo que el número de protones en el núcleo. La carga eléctrica total del núcleo es, por tanto, + Ze , donde e (carga elemental) es igual a 1.602 x 10-19 culombios . Cada electrón está influenciado por los campos eléctricos producidos por la carga nuclear positiva y los otros electrones negativos (Z – 1) en el átomo.
Es el principio de exclusión de Pauli que requiere que los electrones de un átomo ocupen diferentes niveles de energía en lugar de que todos se condensen en el estado fundamental. El orden de los electrones en el estado fundamental de los átomos multielectrones comienza con el estado de energía más bajo (estado fundamental) y se mueve progresivamente desde allí hacia arriba en la escala de energía hasta que a cada uno de los electrones del átomo se le ha asignado un conjunto único de números cuánticos. Este hecho tiene implicaciones clave para la construcción de la tabla periódica de elementos.
Afinidad electronica
En química y física atómica, la afinidad electrónica de un átomo o molécula se define como:
el cambio de energía (en kJ / mol) de un átomo o molécula neutro (en la fase gaseosa) cuando se agrega un electrón al átomo para formar un ion negativo .
X + e – → X – + energía Afinidad = – ∆H
En otras palabras, se puede expresar como la probabilidad del átomo neutro de ganar un electrón. Tenga en cuenta que las energías de ionización miden la tendencia de un átomo neutro a resistir la pérdida de electrones. Las afinidades electrónicas son más difíciles de medir que las energías de ionización.
Un átomo de flúor en la fase gaseosa, por ejemplo, emite energía cuando gana un electrón para formar un ion fluoruro.
F + e – → F – – ∆H = Afinidad = 328 kJ / mol
Para utilizar correctamente las afinidades electrónicas , es fundamental realizar un seguimiento del signo. Cuando se agrega un electrón a un átomo neutro, se libera energía. Esta afinidad se conoce como la primera afinidad electrónica y estas energías son negativas. Por convención, el signo negativo muestra una liberación de energía. Sin embargo, se requiere más energía para agregar un electrón a un ión negativo que supera cualquier liberación de energía del proceso de unión de electrones. Esta afinidad se conoce como afinidad del segundo electrón y estas energías son positivas.
Afinidades de los no metales frente a las afinidades de los metales
Metales : A los metales les gusta perder electrones de valencia para formar cationes y tener una capa completamente estable. La afinidad electrónica de los metales es menor que la de los no metales. Mercurio atrae más débilmente un electrón extra.
No metales : generalmente, los no metales tienen una afinidad electrónica más positiva que los metales. A los no metales les gusta ganar electrones para formar aniones y tener una capa de electrones completamente estable. El cloro atrae con más fuerza electrones adicionales. Las afinidades electrónicas de los gases nobles no se han medido de manera concluyente, por lo que pueden tener o no valores ligeramente negativos.
Electronegatividad
La electronegatividad , símbolo χ, es una propiedad química que describe la tendencia de un átomo a atraer electrones hacia este átomo. Para este propósito, una cantidad adimensional, la escala de Pauling , símbolo χ, es la más utilizada.
La electronegatividad del flúor es:
χ = 4.0
En general, la electronegatividad de un átomo se ve afectada tanto por su número atómico como por la distancia a la que residen sus electrones de valencia del núcleo cargado. Cuanto mayor sea el número de electronegatividad asociado, más un elemento o compuesto atrae electrones hacia él.
Al átomo más electronegativo, el flúor, se le asigna un valor de 4,0, y los valores van hasta cesio y francio, que son los menos electronegativos con 0,7.
Energía de ionización
La energía de ionización , también llamada potencial de ionización , es la energía necesaria para eliminar un electrón del átomo neutro.
X + energía → X + + e –
donde X es cualquier átomo o molécula capaz de ionizarse, X + es ese átomo o molécula con un electrón eliminado (ion positivo) y e – es el electrón eliminado.
Un átomo de nitrógeno, por ejemplo, requiere la siguiente energía de ionización para eliminar el electrón más externo.
N + IE → N + + e – IE = 14,5 eV
La energía de ionización asociada con la eliminación del primer electrón es la más utilizada. El n energía º ionización se refiere a la cantidad de energía requerida para quitar un electrón de la especie con una carga de ( n -1).
1a energía de ionización
X → X + + e –
2da energía de ionización
X + → X 2+ + e –
3a energía de ionización
X 2+ → X 3+ + e –
Energía de ionización para diferentes elementos
Hay una energía de ionización por cada electrón sucesivo eliminado. Los electrones que rodean el núcleo se mueven en órbitas bastante bien definidas. Algunos de estos electrones están más unidos al átomo que otros. Por ejemplo, solo se requieren 7,38 eV para eliminar el electrón más externo de un átomo de plomo, mientras que se requieren 88,000 eV para eliminar el electrón más interno. Ayuda a comprender la reactividad de los elementos (especialmente los metales, que pierden electrones).
En general, la energía de ionización aumenta moviéndose hacia arriba en un grupo y moviéndose de izquierda a derecha a lo largo de un período. Es más:
La energía de ionización es más baja para los metales alcalinos que tienen un solo electrón fuera de una capa cerrada.
La energía de ionización aumenta a lo largo de una fila en el máximo periódico de los gases nobles que tienen capas cerradas.
Por ejemplo, el sodio requiere solo 496 kJ / mol o 5,14 eV / átomo para ionizarlo. Por otro lado, el neón, el gas noble, que lo precede inmediatamente en la tabla periódica, requiere 2081 kJ / mol o 21,56 eV / átomo.
Fuente: wikipedia.org Licencia: CC BY-SA 3.0
References:
References:
Física nuclear y de reactores:
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Un neutrón es una de las partículas subatómicas que forman la materia. En el universo, los neutrones son abundantes y constituyen más de la mitad de toda la materia visible. No tiene carga eléctrica y una masa en reposo igual a 1,67493 × 10-27 kg, marginalmente mayor que la del protón pero casi 1839 veces mayor que la del electrón. El neutrón tiene un radio cuadrático medio de aproximadamente 0,8 × 10-15 m, o 0,8 fm, y es un fermión de espín ½.
Los neutrones existen en los núcleos de los átomos típicos, junto con sus homólogos cargados positivamente, los protones. Los neutrones y protones, comúnmente llamados nucleones , están unidos en el núcleo atómico, donde representan el 99,9 por ciento de la masa del átomo. La investigación en física de partículas de alta energía en el siglo XX reveló que ni el neutrón ni el protón no son los bloques de construcción más pequeños de la materia. Los protones y neutrones también tienen su estructura. Dentro de los protones y neutrones, encontramos verdaderas partículas elementales llamadas quarks . Dentro del núcleo, los protones y neutrones están unidos mediante la fuerza fuerte, una interacción fundamental que gobierna el comportamiento de los quarks que componen los protones y neutrones individuales.
La estabilidad nuclear está determinada por la competencia entre dos interacciones fundamentales. Los protones y los neutrones se atraen entre sí mediante una fuerza fuerte. Por otro lado, los protones se repelen entre sí a través de la fuerza eléctrica debido a su carga positiva. Por lo tanto, los neutrones dentro del núcleo actúan como un pegamento nuclear, los neutrones se atraen entre sí y los protones, lo que ayuda a compensar la repulsión eléctrica entre los protones. Solo existen ciertas combinaciones de neutrones y protones, que forman núcleos estables. Por ejemplo, el nucleido más común del elemento químico común plomo (Pb) tiene 82 protones y 126 neutrones.
Curva de energía de enlace nuclear. Fuente: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
Debido a la fuerza de la fuerza nuclear a distancias cortas , la energía de enlace nuclear (la energía necesaria para desmontar un núcleo de un átomo en sus partes componentes) de los nucleones es más de siete órdenes de magnitud mayor que la energía electromagnética que une los electrones en los átomos. . Las reacciones nucleares (como la fisión nuclear o la fusión nuclear ) tienen, por tanto, una densidad de energía que es más de 10 000 000 veces la de las reacciones químicas. El conocimiento del comportamiento y las propiedades de los neutrones es fundamental para la producción de energía nuclear . Poco después del descubrimiento del neutrón en 1932, se comprendió rápidamente que los neutrones podrían actuar para formar una reacción nuclear en cadena . Cuando se descubrió la fisión nuclear en 1938, quedó claro que, si una reacción de fisión producía neutrones libres , cada uno de estos neutrones podría provocar una reacción de fisión adicional en una cascada conocida como reacción en cadena . El conocimiento de las secciones transversales (el parámetro clave que representa la probabilidad de interacción entre un neutrón y un núcleo) se volvió fundamental para el diseño de núcleos de reactores y la primera arma nuclear (Trinity, 1945).
Descubrimiento del neutrón
La historia del descubrimiento del neutrón y sus propiedades es fundamental para los extraordinarios desarrollos de
la física atómica ocurridos en la primera mitad del siglo XX. El neutrón fue descubierto en 1932 por el físico inglés James Chadwick , pero desde la época de Ernest Rutherford se sabía que el número de masa atómica A de los núcleos es un poco más del doble del número atómico Z para la mayoría de los átomos y que esencialmente todos los La masa del átomo se concentra en el núcleo relativamente pequeño. El modelo de Rutherford para el átomo en 1911 afirma que los átomos tienen su masa y carga positiva concentrada en un núcleo muy pequeño.
Las partículas alfa emitidas por el polonio inciden sobre determinados elementos ligeros, concretamente el berilio, se produce una radiación inusualmente penetrante. Fuente: dev.physicslab.orgCámara de neutrones de Chadwick que contiene discos paralelos de polonio y berilio radiactivo. La radiación se emite desde una ventana de aluminio al final de la cámara. Fuente: imgkid.com
Un avance experimental se produjo en 1930 con la observación de Bothe y Becker. Descubrieron que si las partículas alfa muy energéticas emitidas por el polonio caían sobre ciertos elementos ligeros , específicamente berilio, boro o litio, una radiación inusualmente penetrantefue producido. Dado que esta radiación no estaba influenciada por un campo eléctrico (los neutrones no tienen carga), supusieron que eran rayos gamma (pero mucho más penetrantes). Se demostró (Curie y Joliot) que cuando se bombardea un objetivo de parafina con esta radiación, expulsa protones con una energía de aproximadamente 5,3 MeV. La parafina tiene un alto contenido de hidrógeno, por lo que ofrece un objetivo denso en protones (dado que los neutrones y los protones tienen una masa casi igual, los protones se dispersan energéticamente a partir de los neutrones). Estos resultados experimentales fueron difíciles de interpretar. James Chadwick pudo demostrar que la partícula neutra no podía ser un fotón bombardeando objetivos distintos del hidrógeno, incluidos nitrógeno, oxígeno, helio y argón. Estos no solo eran incompatibles con la emisión de fotones por motivos de energía, la sección transversalpara las interacciones fue órdenes de magnitud mayor que para la dispersión de Compton por fotones. En Roma, el joven físico Ettore Majorana sugirió que la forma en que la nueva radiación interactuaba con los protones requería una nueva partícula neutra.
La tarea consistía en determinar la masa de esta partícula neutra. James Chadwick optó por bombardear boro con partículas alfa y analizar la interacción de las partículas neutras con nitrógeno. Estos objetivos particulares se eligieron en parte porque las masas de boro y nitrógeno eran bien conocidas. Usando cinemática, Chadwick pudo determinar la velocidad de los protones. Luego, mediante técnicas de conservación de la cantidad de movimiento, pudo determinar que la masa de la radiación neutra era casi exactamente la misma que la de un protón. En 1932, Chadwick propuso que la partícula neutra era el neutrón de Rutherford. En 1935, recibió el Premio Nobel por su descubrimiento.
La estructura de quarks del neutrón. La asignación de color de los quarks individuales es arbitraria, pero los tres colores deben estar presentes. Las fuerzas entre quarks están mediadas por gluones.
Los neutrones y protones se clasifican como hadrones , partículas subatómicas que están sujetas a la fuerza fuerte y como bariones ya que están compuestos por tres quarks . El neutrón es una partícula compuesta formada por dos quarks abajo con carga −⅓ e y un quark arriba con carga + ⅔ e. Dado que el neutrón no tiene carga eléctrica neta , no se ve afectado por las fuerzas eléctricas, pero el neutrón tiene una ligera distribución de carga eléctrica dentro de él. Esto da como resultado un momento magnético distinto de cero (momento dipolar) del neutrón. Por lo tanto, el neutrón interactúa también a través de la interacción electromagnética, pero mucho más débil que el protón.
La masa del neutrón es 939,565 MeV / c 2 , mientras que la masa de los tres quarks es sólo de unos 12 MeV / c 2 (sólo alrededor del 1% de la masa-energía del neutrón). Al igual que el protón, la mayor parte de la masa (energía) del neutrón está en forma de energía de fuerza nuclear fuerte (gluones). Los quarks del neutrón se mantienen unidos por gluones, las partículas de intercambio por la fuerza nuclear fuerte. Los gluones llevan la carga de color de la fuerza nuclear fuerte.
Las propiedades clave de los neutrones se resumen a continuación:
El radio cuadrático medio de un neutrón es ~ 0,8 x 10-15 m (0,8 fermi)
La masa del neutrón es 939,565 MeV / c 2
Los neutrones son partículas de ½ espín – estadísticas fermiónicas
Los neutrones son partículas neutras , sin carga eléctrica neta.
Los neutrones tienen un momento magnético distinto de cero .
Los neutrones libres (fuera de un núcleo) son inestables y se desintegran a través de la desintegración beta. La desintegración del neutrón implica la interacción débil y está asociada con una transformación de quark (un quark abajo se convierte en un quark arriba).
La vida media de un neutrón libre es de 882 segundos (es decir , la vida media es de 611 segundos).
Un fondo de neutrones naturales de neutrones libres existe en todas partes de la Tierra y es causado por los muones producidos en la atmósfera, donde los rayos cósmicos de alta energía chocan con las partículas de la atmósfera terrestre.
Los neutrones no pueden causar ionización directamente . Los neutrones ionizan la materia sólo indirectamente.
Los neutrones pueden viajar cientos de pies en el aire sin ninguna interacción. La radiación de neutrones es muy penetrante .
El proceso de fisión produce neutrones libres (2 o 3).
Los neutrones térmicos o fríos tienen longitudes de onda similares a los espaciamientos atómicos. Se pueden utilizar en experimentos de difracción de neutrones para determinar la estructura atómica y / o magnética de un material.
Los neutrones libres se pueden clasificar según su energía cinética. Esta energía generalmente se expresa en electronvoltios (eV). El término temperatura también puede describir esta energía que representa el equilibrio térmico entre un neutrón y un medio con una determinada temperatura.
Clasificación de neutrones libres según energías cinéticas
Neutrones fríos (0 eV; 0,025 eV). Neutrones en equilibrio térmico con entornos muy fríos como el deuterio líquido. Este espectro se utiliza para experimentos de dispersión de neutrones.
Neutrones térmicos . Neutrones en equilibrio térmico con medio circundante. La energía más probable a 20 ° C (68 ° F) para la distribución maxwelliana es 0.025 eV (~ 2 km / s). Esta parte del espectro de energía de los neutrones constituye la parte más importante del espectro en los reactores térmicos .
Neutrones epitermales (0,025 eV; 0,4 eV). Neutrones de energía cinética superior a la térmica. Algunos de los diseños de reactores funcionan con el espectro de neutrones epitermales. Este diseño permite alcanzar una tasa de reproducción de combustible más alta que en los reactores térmicos.
Los neutrones de energía cinética por debajo de la energía de corte de cadmio (~ 0.5 eV) son fuertemente absorbidos por 113-Cd. Fuente: JANIS (software de información nuclear basado en Java) www.oecd-nea.org/janis/
Neutrones de cadmio (0,4 eV; 0,5 eV). Neutrones de energía cinética por debajo de la energía de corte de cadmio . Un isótopo de cadmio, 113 Cd, absorbe neutrones fuertemente solo si están por debajo de ~ 0.5 eV (energía de corte de cadmio).
Neutrones de epicadmio (0,5 eV; 1 eV). Neutrones de energía cinética por encima de la energía de corte de cadmio . Estos neutrones no son absorbidos por el cadmio .
Neutrones lentos (1 eV; 10 eV).
Neutrones de resonancia (10 eV; 300 eV). Los neutrones de resonancia se denominan resonancia por su comportamiento especial. A energías de resonancia, las secciones transversales pueden alcanzar picos más de 100 veces superiores al valor base de la sección transversal. A estas energías, la captura de neutrones supera significativamente la probabilidad de fisión . Por lo tanto, es muy importante (para los reactores térmicos) superar rápidamente este rango de energía y operar el reactor con neutrones térmicos, lo que aumenta la probabilidad de fisión.
Neutrones intermedios (300 eV; 1 MeV).
Neutrones rápidos (1 MeV; 20 MeV). Los neutrones de energía cinética superior a 1 MeV (~ 15 000 km / s) suelen denominarse neutrones de fisión. Estos neutrones son producidos por procesos nucleares como la fisión nuclear o reacciones (ɑ, n) . Los neutrones de fisión tienen una distribución de energía de Maxwell-Boltzmann con una energía media (para una fisión de 235 U ) de 2 MeV. Dentro de un reactor nuclear, los neutrones rápidos se reducen a energías térmicas a través de un proceso llamado moderación de neutrones .
Neutrones relativistas (20 MeV; ->)
Distribución de energías cinéticas de neutrones en el reactor térmico. Los neutrones de fisión (flujo rápido) se ralentizan inmediatamente a las energías térmicas a través de un proceso llamado moderación de neutrones. Fuente: serc.carleton.edu
La física del reactor no necesita esta fina división de energías de neutrones. Los neutrones se pueden dividir aproximadamente (a efectos de la física del reactor) en tres rangos de energía:
Neutrones térmicos (0,025 eV – 1 eV).
Neutrones de resonancia (1 eV – 1 keV).
Neutrones rápidos (1 keV – 10 MeV).
Incluso la mayoría de los códigos de computación de los reactores utilizan solo dos grupos de energía de neutrones:
Los neutrones son partículas neutras, por lo tanto, viajan en línea recta , desviándose de su camino solo cuando chocan con un núcleo para ser dispersados en una nueva dirección o absorbidos. Ni los electrones que rodean (nube de electrones atómicos) un núcleo ni el campo eléctrico causado por un núcleo cargado positivamente afectan el vuelo de un neutrón. En resumen, los neutrones chocan con los núcleos , no con los átomos. Una característica muy descriptiva de la transmisión de neutrones a través de la materia a granel es la longitud media del camino libre ( λ – lambda ), que es la distancia media que recorre un neutrón entre interacciones. Se puede calcular a partir de la siguiente ecuación:
λ = 1 / Σ
Los neutrones pueden interactuar con los núcleos de una de las siguientes formas:
Neutron Cross-section
Secciones transversales típicas de material de fisión. La ralentización de los neutrones aumenta la probabilidad de interacción (por ejemplo, reacción de fisión).
La medida en que los neutrones interactúan con los núcleos se describe en términos de cantidades conocidas como secciones transversales . Las secciones transversales se utilizan para expresar la probabilidad de una interacción particular entre un neutrón incidente y un núcleo objetivo . Debe tenerse en cuenta que esta probabilidad no depende de las dimensiones reales del objetivo. Junto con el flujo de neutrones, permite el cálculo de la velocidad de reacción, por ejemplo para derivar la potencia térmica de una central nuclear. La unidad estándar para la medición de la sección transversal microscópica ( σ-sigma ) es el granero , que es igual a 10 -28 m 2. Esta unidad es muy pequeña, por lo que los graneros (abreviados como «b») se utilizan comúnmente. La sección transversal microscópica se puede interpretar como el «área objetivo» efectiva en la que un núcleo interactúa con un neutrón incidente.
Una sección transversal macroscópica se deriva de la densidad microscópica y del material:
Σ = σ.N
Aquí σ, que tiene unidades de m 2 , se denomina sección transversal microscópica. Dado que las unidades de N (densidad de núcleos) son núcleos / m 3 , la sección transversal macroscópica Σ tiene unidades de m -1 , por lo que de hecho es un nombre incorrecto, porque no es una unidad correcta de secciones transversales.
Las secciones transversales de neutrones constituyen parámetros clave del combustible nuclear. Las secciones transversales de neutrones deben calcularse para conjuntos de combustible nuevos, generalmente en modelos bidimensionales de la red de combustible.
La sección transversal de neutrones es variable y depende de:
Núcleo objetivo (hidrógeno, boro, uranio, etc.) Cada isótopo tiene su propio conjunto de secciones transversales.
Tipo de reacción (captura, fisión, etc.). Las secciones transversales son diferentes para cada reacción nuclear.
Energía de neutrones (neutrón térmico, neutrón de resonancia, neutrón rápido). Para un objetivo y un tipo de reacción determinados, la sección transversal depende en gran medida de la energía del neutrón. En el caso común, la sección transversal suele ser mucho mayor a bajas energías que a altas energías. Es por eso que la mayoría de los reactores nucleares utilizan un moderador de neutrones para reducir la energía del neutrón y así aumentar la probabilidad de fisión, esencial para producir energía y sostener la reacción en cadena.
Energía objetivo (temperatura del material objetivo – ensanchamiento Doppler) Esta dependencia no es tan significativa, pero la energía objetivo influye fuertemente en la seguridad inherente de los reactores nucleares debido a un ensanchamiento Doppler de resonancias.
Para los neutrones térmicos (en la región 1 / v), las secciones transversales de absorción aumentan a medida que disminuye la velocidad (energía cinética) del neutrón. Fuente: JANIS 4.0
Para los neutrones térmicos ( en la región 1 / v ), las secciones transversales de absorción aumentan a medida que disminuye la velocidad (energía cinética) del neutrón. Por lo tanto, la ley 1 / v se puede utilizar para determinar el desplazamiento en la sección transversal de absorción, si el neutrón está en equilibrio con el medio circundante. Este fenómeno se debe al hecho de que la fuerza nuclear entre el núcleo objetivo y el neutrón tiene más tiempo para interactuar.
Esta ley es aplicable solo para la sección de absorción y solo en la región 1 / v.
Ejemplo de secciones transversales en la región 1 / v:
La sección transversal de absorción para 238U a 20 ° C = 293K (~ 0.0253 eV) es:
.
La sección transversal de absorción para 238U a 1000 ° C = 1273K es igual a:
Esta reducción de la sección transversal se debe únicamente al cambio de temperatura del medio circundante.
Captura de neutrones por resonancia
Picos de resonancia para la captura radiativa de U238. En energías de resonancia, la probabilidad de captura puede ser más de 100 veces mayor que el valor base. Fuente: programa JANIS
La sección transversal de absorción a menudo depende en gran medida de la energía de los neutrones. Tenga en cuenta que la fisión nuclear produce neutrones con una energía media de 2 MeV (200 TJ / kg, es decir, 20.000 km / s). El neutrón se puede dividir aproximadamente en tres rangos de energía:
Neutrón rápido. (10MeV – 1keV)
Neutrón de resonancia (1keV – 1eV)
Neutrón térmico. (1eV – 0.025eV)
Los neutrones de resonancia se denominan resonancia por su comportamiento especial. A energías de resonancia, la sección transversal puede alcanzar picos más de 100 veces superiores al valor base de la sección transversal. A estas energías, la captura de neutrones supera significativamente la probabilidad de fisión. Por lo tanto, es muy importante (para los reactores térmicos) superar rápidamenteeste rango de energía y operar el reactor con neutrones térmicos, lo que aumenta la probabilidad de fisión.
Ampliación Doppler
El efecto Doppler mejora la estabilidad del reactor. La resonancia ampliada (calentamiento de un combustible) da como resultado una mayor probabilidad de absorción, lo que provoca una inserción de reactividad negativa (reducción de la potencia del reactor).
Un ensanchamiento Doppler de resonancias es un fenómeno muy importante, que mejora la estabilidad del reactor . El coeficiente de temperatura rápida de la mayoría de los reactores térmicos es negativo , debido a un efecto Doppler nuclear. Aunque la sección transversal de absorción depende significativamente de la energía de neutrones incidente, la forma de la curva de la sección transversal depende también de la temperatura objetivo.
Los núcleos se encuentran en átomos que están en continuo movimiento debido a su energía térmica. Como resultado de estos movimientos térmicos, los neutrones que inciden en un objetivo parecen tener una dispersión continua de energía en los núcleos del objetivo. Esto, a su vez, tiene un efecto sobre la forma de resonancia observada. La resonancia se vuelve más corta y más ancha que cuando los núcleos están en reposo.
Aunque la forma de una resonancia cambia con la temperatura, el área total bajo la resonancia permanece esencialmente constante. Pero esto no implica una absorción constante de neutrones . A pesar del área constante bajo resonancia, una integral de resonancia , que determina la absorción, aumenta con el aumento de la temperatura objetivo. Esto, por supuesto, disminuye el coeficiente k (se inserta reactividad negativa).
Secciones típicas de materiales en el reactor.
La siguiente tabla muestra las secciones transversales de neutrones de los isótopos más comunes del núcleo del reactor.
Tabla de secciones transversales
Tipos de reacciones neutrón-nucleares
Elastic Scattering Reaction
Generalmente, una dispersión de neutrones La reacción ocurre cuando un núcleo objetivo emite un solo neutrón después de una interacción neutrón-núcleo. En una reacción de dispersión elástica entre un neutrón y un núcleo objetivo, no se transfiere energía a la excitación nuclear. [/Su_spoiler]
«Reacción
Neutron Absorption
La reacción de absorción de neutrones es el tipo de reacciones más importante que tienen lugar en un reactor nuclear . Las reacciones de absorción son reacciones en las que el neutrón se absorbe por completo y se forma el núcleo compuesto . Esta es la característica muy importante, porque el modo de desintegración de dicho núcleo compuesto no depende de la forma en que se formó el núcleo compuesto.Por lo tanto, puede seguir una variedad de emisiones o desintegraciones. Las reacciones de absorción más importantes se dividen por el canal de salida en dos reacciones siguientes:
Captura radiativa. La mayoría de las reacciones de absorción dan como resultado la pérdida de un neutrón junto con la producción de uno o más rayos gamma . Esto se conoce como reacción de captura y se denota por σ γ .
Reacción de fisión inducida por neutrones. Algunos núcleos (núcleos fisionables ) pueden sufrir un evento de fisión , dando lugar a dos o más fragmentos de fisión (núcleos de peso atómico intermedio) y algunos neutrones . En un material fisionable, el neutrón puede simplemente ser capturado o puede causar fisión nuclear. Para los materiales fisionables, dividimos la sección transversal de absorción como σ a = σ γ + σ f .
Captura radiativa
La captura de neutrones es una de las posibles reacciones de absorción que pueden ocurrir. De hecho, para los núcleos no fisionables es la única reacción de absorción posible. Las reacciones de captura dan como resultado la pérdida de un neutrón junto con la producción de uno o más rayos gamma . Esta reacción de captura también se conoce como captura radiativa o reacción (n, γ) , y su sección transversal se indica mediante σ γ .
La captura radiativa es una reacción en la que el neutrón incidente se absorbe por completo y se forma un núcleo compuesto . El núcleo compuesto luego decae a su estado fundamental por emisión gamma . Este proceso puede ocurrir con todas las energías de neutrones incidentes , pero la probabilidad de la interacción depende en gran medida de la energía de neutrones incidente y también de la energía objetivo (temperatura). De hecho, la energía en el sistema de centro de masa determina esta probabilidad. [/Su_spoiler]
Nuclear Fission
La fisión nuclear es una reacción nuclear en la que el núcleo de un átomo se divideen partes más pequeñas (núcleos más ligeros). El proceso de fisión a menudo produce neutrones y fotones libres (en forma de rayos gamma ) y libera una gran cantidad de energía . En física nuclear, la fisión nuclear es una reacción nuclear o un proceso de desintegración radiactiva . El caso del proceso de desintegración se llama fisión espontánea y es un proceso muy raro. [/Su_spoiler]
Neutron Emission
Aunque la emisión de neutrones generalmente se asocia con la desintegración nuclear, también debe mencionarse en relación con las reacciones nucleares de neutrones . Algunos neutrones interactúan con un núcleo objetivo a través de unnúcleo compuesto . Entre estas reacciones del núcleo compuesto también se encuentran las reacciones, en las que se expulsa un neutrón del núcleo y pueden denominarse reacciones de emisión de neutrones . El punto es que los núcleos compuestos pierden su energía de excitación de una manera idéntica a la desintegración radiactiva. Una característica muy importante es el hecho de que el modo de desintegración del núcleo compuesto no depende de la forma en que se formó el núcleo compuesto.
Expulsión de partículas cargadas
Las reacciones de partículas cargadas generalmente se asocian con la formación de un núcleo compuesto , que se excita a un alto nivel de energía , que dicho núcleo compuestopuede expulsar una nueva partícula cargada mientras el neutrón incidente permanece en el núcleo . Después de que se expulsa la nueva partícula, el núcleo restante cambia por completo, pero puede o no existir en un estado excitado dependiendo del balance de masa-energía de la reacción. Este tipo de reacción es más común para partículas cargadas como partículas incidentes (como partículas alfa , protones, etc.).
El caso de las reacciones de partículas cargadas inducidas por neutrones no es tan común, pero existen algunas reacciones de partículas cargadas inducidas por neutrones, que son importantes en el control de la reactividad y también en la detección de neutrones . [/Su_spoiler]
Dado que los neutrones son partículas eléctricamente neutras, están sujetos principalmente a fuertes fuerzas nucleares, pero no a fuerzas eléctricas. Por lo tanto, los neutrones no se ionizan directamente y, por lo general, deben convertirse en partículas cargadas antes de que puedan detectarse. Generalmente, todo tipo de detector de neutrones debe estar equipado con un convertidor (para convertir la radiación de neutrones en radiación detectable común) y uno de los detectores de radiación convencionales (detector de centelleo, detector de gases, detector de semiconductores, etc.).
Convertidores de neutrones
Para este propósito, se encuentran disponibles dos tipos básicos de interacciones de neutrones con la materia:
Dispersión elástica . El neutrón libre puede ser dispersado por un núcleo, transfiriendo parte de su energía cinética al núcleo. Si el neutrón tiene suficiente energía para dispersar los núcleos, el núcleo en retroceso ioniza el material que rodea al convertidor. De hecho, solo los núcleos de hidrógeno y helio son lo suficientemente ligeros para una aplicación práctica. La carga producida de esta manera puede ser recogida por el detector convencional para producir una señal detectada. Los neutrones pueden transferir más energía a los núcleos ligeros. Este método es apropiado para detectar neutrones rápidos (los neutrones rápidos no tienen una sección transversal alta para la absorción), lo que permite la detección de neutrones rápidos sin un moderador .
Absorción de neutrones . Este es un método común que permite la detección de neutrones de todo el espectro energético . Este método se basa en una variedad de reacciones de absorción ( captura radiativa , fisión nuclear , reacciones de reordenamiento, etc.). El neutrón es absorbido aquí por el material objetivo (convertidor) que emite partículas secundarias como protones, partículas alfa , partículas beta , fotones (rayos gamma) o fragmentos de fisión . Algunas reacciones son reacciones de umbral (que requieren una energía mínima de neutrones), pero la mayoría de las reacciones ocurren a energías epitermales y térmicas.. Eso significa que se requiere la moderación de los neutrones rápidos, lo que conduce a una información energética deficiente de los neutrones. Los núcleos más comunes para el material del convertidor de neutrones son:
10 B (n, α). Donde la sección transversal de captura de neutrones para los neutrones térmicos es σ = 3820 graneros y el boro naturaltiene una abundancia de 10 B 19,8%.
3 Él (n, p). Donde la sección transversal de captura de neutrones para los neutrones térmicos es σ = 5350 graneros y el helio natural tiene una abundancia de 3 He 0.014%.
6 Li (n, α). Donde la sección transversal de captura de neutrones para neutrones térmicos es σ = 925 graneros y el litio natural tiene una abundancia de 6 Li 7,4%.
113 Cd (n, ɣ). Donde la sección transversal de captura de neutrones para los neutrones térmicos es σ = 20820 graneros y el cadmio naturaltiene una abundancia de 113 Cd 12,2%.
235 U (n, fisión). Donde la sección transversal de fisión para los neutrones térmicos es σ = 585 graneros y el uranio naturaltiene una abundancia de 235 U 0,711%. El uranio como convertidor produce fragmentos de fisión que son partículas con carga pesada. Esto tiene una ventaja significativa. Las partículas con carga pesada (fragmentos de fisión) crean una señal de salida alta, porque los fragmentos depositan una gran cantidad de energía en un volumen sensible al detector. Esto permite una fácil discriminación de la radiación de fondo (ei radiación gamma). Esta importante característica se puede utilizar, por ejemplo, en la medición de la potencia deun reactor nuclear , donde el campo de neutrones está acompañado por un fondo gamma significativo.
El neutrón libre se desintegra en un protón, un electrón y un antineutrino con una vida media de aproximadamente 611 segundos (10,3 minutos). Fuente: scienceblogs.com
Un neutrón libre es un neutrón que no está limitado a un núcleo. El neutrón libre, a diferencia de un neutrón limitado, está sujeto a la desintegración beta radiactiva .
Se descompone en un protón, un electrón y un antineutrino (la contraparte de antimateria del neutrino, una partícula sin carga y con poca o ninguna masa). Un neutrón libre se desintegrará con una vida media de aproximadamente 611 segundos (10,3 minutos). Esta desintegración implica la interacción débil y está asociada con una transformación de quark (un quark abajo se convierte en un quark arriba). La decadencia del neutrón es un buen ejemplo de las observaciones que condujeron al descubrimiento de la neutrinos . Debido a que se desintegra de esta manera, el neutrón no existe en la naturaleza en su estado libre, excepto entre otras partículas altamente energéticas en los rayos cósmicos. Dado que los neutrones libres son eléctricamente neutros, pasan a través de los campos eléctricos dentro de los átomos sin ninguna interacción y están interactuando con la materia casi exclusivamente a través de colisiones relativamente raras con núcleos atómicos.
En protección radiológica, hay tres formas de proteger a las personas de las fuentes de radiación identificadas:
Limitando el tiempo. La cantidad de exposición a la radiación depende directamente (linealmente) del tiempo que las personas pasan cerca de la fuente de radiación. La dosis se puede reducir limitando el tiempo de exposición .
Distancia. La cantidad de exposición a la radiación depende de la distancia a la fuente de radiación. De manera similar al calor de un incendio, si está demasiado cerca, la intensidad de la radiación de calor es alta y puede quemarse. Si estás a la distancia adecuada podrás aguantar allí sin problemas y además es cómodo. Si está demasiado lejos de la fuente de calor, la insuficiencia de calor también puede dañarlo. Esta analogía, en cierto sentido, se puede aplicar a la radiación también de fuentes nucleares.
Blindaje. Finalmente, si la fuente es demasiado intensa y el tiempo o la distancia no proporcionan suficiente protección contra la radiación, se debe utilizar el blindaje. El blindaje contra la radiación generalmente consta de barreras de plomo, hormigón o agua. Incluso el uranio empobrecido puede utilizarse como una buena protección contra la radiación gamma, pero, por otro lado, el uranio es un blindaje absolutamente inadecuado de la radiación de neutrones. En resumen, depende del tipo de radiación a blindar, qué blindaje será efectivo o no.
Blindaje de neutrones
Agua como escudo de neutrones
Hay tres características principales de los neutrones, que son cruciales en el blindaje de los neutrones.
Los neutrones no tienen carga eléctrica neta , por lo tanto, las fuerzas eléctricas no pueden afectarlos ni detenerlos. Los neutrones ionizan la materia solo indirectamente, lo que hace que los neutrones sean un tipo de radiación altamente penetrante.
Los neutrones se dispersan con núcleos pesados de forma muy elástica . Los núcleos pesados con mucha fuerza ralentizan un neutrón y mucho menos absorben un neutrón rápido.
Una absorción de neutrones (uno diría que blindaje) provoca el inicio de cierta reacción nuclear (por ejemplo, captura radiativa o incluso fisión ), que va acompañada de varios otros tipos de radiación . En resumen, los neutrones hacen que la materia sea radiactiva, por lo tanto, con los neutrones tenemos que proteger también los otros tipos de radiación.
Los mejores materiales para proteger neutrones deben poder:
Reducir la velocidad de los neutrones (el mismo principio que la moderación de neutrones ). El primer punto solo puede cumplirse con material que contenga átomos ligeros (por ejemplo, átomos de hidrógeno), como agua, polietileno y hormigón. El núcleo de un núcleo de hidrógeno contiene solo un protón. Dado que un protón y un neutrón tienen masas casi idénticas, la dispersión de un neutrón en un núcleo de hidrógeno puede ceder una gran cantidad de su energía (incluso la energía cinética completa de un neutrón puede transferirse a un protón después de una colisión). Esto es similar a un billar. Dado que una bola blanca y otra bola de billar tienen masas idénticas, la bola blanca que golpea otra bola puede detenerse y la otra bola comenzará a moverse con la misma velocidad. Por otro lado, si se lanza una pelota de ping pong contra una bola de boliche (neutrón frente a núcleo pesado), la pelota de ping pong rebotará con muy poco cambio de velocidad, solo un cambio de dirección. Por lo tanto, el plomo es bastante ineficaz para bloquear la radiación de neutrones, ya que los neutrones no están cargados y simplemente pueden atravesar materiales densos.
Tabla de secciones transversales
Absorbe este lento neutrón. Los neutrones térmicos se pueden absorber fácilmente mediante la captura en materiales con secciones transversales de alta captura de neutrones (miles de graneros) como el boro , el litio o el cadmio . Generalmente, solo una capa delgada de tal absorbente es suficiente para proteger los neutrones térmicos. El hidrógeno (en forma de agua), que se puede utilizar para ralentizar los neutrones, tiene una sección transversal de absorción de 0,3 graneros. Esto no es suficiente, pero esta insuficiencia puede compensarse con un espesor suficiente del escudo de agua.
Proteja la radiación acompañante . En el caso del escudo de cadmio, la absorción de neutrones va acompañada de una fuerte emisión de rayos gamma . Por lo tanto, es necesario un escudo adicional para atenuar los rayos gamma . Este fenómeno prácticamente no existe para el litio y es mucho menos importante para el boro como material de absorción de neutrones. Por esta razón, los materiales que contienen boro se utilizan a menudo en escudos de neutrones. Además, el boro (en forma de ácido bórico) es muy soluble en agua, lo que hace que esta combinación sea un escudo de neutrones muy eficaz.
Agua como escudo de neutrones
El agua debido al alto contenido de hidrógeno y la disponibilidad es un blindaje de neutrones efectivo y común. Sin embargo, debido al bajo número atómico de hidrógeno y oxígeno, el agua no es un escudo aceptable contra los rayos gamma. Por otro lado, en algunos casos, esta desventaja (baja densidad) puede compensarse con un alto espesor del escudo de agua. En el caso de los neutrones, el agua modera perfectamente los neutrones, pero con la absorción de neutrones por el núcleo de hidrógeno se producen rayos gamma secundarios con alta energía. Estos rayos gamma penetran mucho en la materia y, por lo tanto, pueden aumentar los requisitos sobre el grosor del escudo de agua. La adición de ácido bórico puede ayudar con este problema (absorción de neutrones en núcleos de boro sin una fuerte emisión gamma), pero da lugar a otros problemas con la corrosión de los materiales de construcción.
Hormigón como escudo de neutrones
El blindaje de neutrones más utilizado en muchos sectores de la ciencia y la ingeniería nucleares es el blindaje de hormigón. El hormigón también es un material que contiene hidrógeno , pero a diferencia del agua, el hormigón tiene una densidad más alta ( adecuado para el blindaje secundario gamma ) y no necesita ningún mantenimiento. Debido a que el hormigón es una mezcla de varios materiales diferentes, su composición no es constante. Por lo tanto, cuando se hace referencia al hormigón como material de protección contra neutrones, se debe indicar correctamente el material utilizado en su composición. Generalmente, el hormigón se divide en hormigón "ordinario" y hormigón "pesado" . El hormigón pesado utiliza áridos naturales pesadoscomo barita (sulfato de bario) o magnetita o agregados manufacturados como hierro, bolas de acero, punzón de acero u otros aditivos. Como resultado de estos aditivos, el hormigón pesado tiene una densidad más alta que el hormigón
Si la división libera energía y la fusión libera la energía, entonces, ¿dónde está el punto de ruptura? Para comprender este problema, es mejor relacionar la energía de enlace con un nucleón, para obtener la curva de enlace nuclear . La energía de enlace por nucleón no es lineal. Hay un pico en la curva de energía de enlace en la región de estabilidad cerca del hierro y esto significa que la ruptura de núcleos más pesados que el hierro o la combinación de núcleos más ligeros que el hierro producirá energía.
La razón por la que la tendencia se invierte después del pico de hierro es la creciente carga positiva de los núcleos. La fuerza eléctrica tiene mayor alcance que la fuerza nuclear fuerte. Mientras que la fuerza nuclear fuerte se une solo a vecinos cercanos, la fuerza eléctrica de cada protón repele a los otros protones. [/Lgc_column]
