radiactividad

Radiactividad Página 23
1.- DESCUBRIMIENTO Y NATURALEZA.
RADIACTIVIDAD
El fenómeno de la radiactividad fue descubierto por Henri Becquerel en 1896, al darse cuente
de cómo unos cristales de pechblenda (sulfato doble de K y U) velaban unas películas fotográficas
colocadas junto a los cristales. Mas adelante, Becquerel verificó que esta nueva radiación la emitían
distintas sales de uranio, así como compuestos de torio y actinio. Se demostró luego que la emisión no
era afectada por las condiciones físicas o químicas.
Rutheford y los esposos Curie pusieron después de manifiesto que la radiación era capaz de
ionizar el aire contenido entre dos placas entre las que se aplicaba una diferencia de potencial.
Posteriormente, Marie Curie descubriría otros elementos radiactivos: el polonio y el radio.
Con lo años empezaron a conocerse detalles acerca de la misteriosa radiación descubierta. El
propio Rutheford estableció tres componentes diferentes en la radiación emitida por estas sustancias:
las denominó radiación alfa, beta y gamma, respectivamente.
La alfa era poco penetrante, de hecho era detenida por una simple hoja de papel y su recorrido
en aire era de algunos centímetros. Por su parte, la beta podía atravesar hojas de aluminio y su
recorrido en aire ya alcanzaba algunos metros. Finalmente, la gamma era muy penetrante. Tan sólo era
detenida por gruesos bloques de plomo y podía recorrer hasta decenas de metros.
Diversos experimentos con campos magnéticos y eléctricos demostraron que la radiación alfa
estaba cargada positivamente. La beta también presentaba carga, si bien era negativa. En oposición a
las anteriores, la gamma no experimentaba desviaciones en presencia de los campos por lo que se
asoció, como ya sabemos, a una OEM. Es decir, tenía la misma naturaleza que la luz.
2.- LEY DE DECAIMIENTO RADIACTIVO.
Los descubrimientos antes mencionados nos demuestran que un conjunto de núcleos
inestables no permanece inalterable con el paso del tiempo. Así pues, interesa encontrar una expresión
matemática que nos de el número de núcleos de una población radiactiva que sobrevive transcurrido
un determinado tiempo t.
Apuntes de Radiactividad Ambiental

Página 24 Radiactividad
Supongamos entonces N núcleos radiactivos, con N muy grande, del orden de 10 23 para
considerarla como variable continua. La probabilidad de desintegración ha de ser la misma para todos
los núcleos de la especie. En un intervalo de tiempo dt la probabilidad de desintegración radiactiva es
proporcional a ese período de tiempo. La correspondiente constante de proporcionalidad se denomina
constante de desintegración (λ, medida en s -1 , días -1 , años -1 , etc.) y nos da la probabilidad por unidad
de tiempo de que los núcleos pertenecientes a esa población, y a esa especie nuclear, se desintegren.
Por tanto, para N núcleos la probabilidad de desintegración será λ Ndt, por lo que el número
de núcleos que se desintegra por unidad de tiempo (dN/dt) es:
dN
dt
= −λ
N
(1)
donde el signo “-“ garantiza la igualdad de signos entre los dos miembros de la ecuación. Es evidente
que cuanto mayor sea λ, más probable es que se desintegre el núcleo.
Para integrar la ecuación anterior, son necesarias algunas hipótesis previas: a) que λ es
independiente de agentes físicos y químicos (temperatura, presión, compuesto químico en el que esté
integrado el núcleo, etc.), b) que λ no depende del tiempo, y c) que λ sea la misma para todos los
núcleos pertenecientes a la misma especie nuclear y en el mismo estado de energía.
Aceptadas estas hipótesis, integrando (1), resulta que:
N
−λ
t
( t)
= N 0 e
(2)
donde N0 es el número de núcleos presentes cuando t = 0. Es evidente que λ es un parámetro muy
importante. Sin embargo, suele emplearse otra magnitud relacionada con ella de medida más sencilla.
Se trata de la semivida o período de semidesintegración (T1/2) o tiempo que tarda la población
radiactiva en pasar de N0 a N0/2 (Figura 1).
Figura 1: Representación de la función exponencial propia de la ley de desintegración radiactiva (T = T1/2)
Se puede demostrar fácilmente que:
T
1
2
=
ln 2
λ
Apuntes de Radiactividad Ambiental
(3)

Radiactividad Página 25
Así pues, conforme mayor sea la semivida menor será la probabilidad de desintegración.
Podemos encontrar radionúclidos de semividas muy diferentes: desde los 0.52 s del 211 Po a los 4500
millones de años del 238 U. En términos de esta nueva magnitud, la ley exponencial del decaimiento
radiactivo queda como sigue:
ln 2
− t
T1
2
N 0
N ( t)
= N 0 e ⇒ =
N(
t)
Ya que el fenómeno de la radiactividad es aleatorio, la vida real de un núcleo concreto es
impredecible. La semivida solamente nos da el tiempo que ha de transcurrir para que el número de
núcleos se reduzca a la mitad. No obstante, se puede calcular la vida media de los núcleos radiactivos,
es decir, el valor medio de la vida de éstos, y resulta ser:
τ =
1
λ
(5)
es decir, la vida media es el tiempo necesario para reducir el número inicial de núcleos en un factor e.
3.- ACTIVIDAD RADIACTIVA. ACTIVIDAD ESPECÍFICA. UNIDADES.
La actividad (A) de una fuente radiactiva es una magnitud física que expresa la velocidad de la
especie radiactiva, es decir, da el número de desintegraciones por unidad de tiempo (dps). Si dN es el
número de núcleos radiactivos que desaparecen en el intervalo de tiempo (t, t+dt), la actividad en el
instante t vendrá dada por:
dN
A( t)
= = λ N
(6)
dt
En consecuencia, la ley exponencial se extiende para la actividad, multiplicando los dos
miembros de la ecuación (2) por λ:
A
−λ
t
( t)
= A0
e
(7)
La unidad en el S.I. de la actividad es el becquerelio (Bq), donde 1 Bq = 1 dps. Por razones
prácticas e históricas se sigue usando el curio (Ci); siendo:
1 Ci = 3.7 · 10 10 Bq
Para dar una idea de los órdenes de magnitud asociados a las actividades de algunas fuentes
radiactivas, mencionemos que un 1 kg de suelo no contaminado puede presentar una actividad en 226 Ra
entre 25 y 40 Bq, una misma cantidad de fosfoyeso presentará unos 1000 Bq de ese mismo
radionúclido; mientras que una bomba de 60 Co empleada en ciertos tratamientos tiene una actividad
entre comprendida entre 2 y 5 kCi.
Obviamente la actividad está relacionada con la masa, pero “no es la masa de la muestra
radiactiva”. De hecho, una muestra radiactiva de masa grande puede ser muy poco activa porque su λ
sea pequeña y, por el contrario, una muestra de muy poca masa puede ser muy activa. De hecho, es
Apuntes de Radiactividad Ambiental
2
t
T1
2
(4)

Página 26 Radiactividad
fácil deducir la masa en gramos de cierto nucleido radiactivo con constante de desintegración dada y
peso atómico (Ar) para que se obtenga una determinada actividad A:
M
=
1,
66·
10
−24
A
λ A
r
Otro concepto importante es el de actividad específica. La actividad específica nos da la
actividad de una sustancia por unidad de masa. Consecuentemente, esta magnitud en el S.I. se expresa
en Bq/kg, aunque es frecuente emplear otras unidades como el Bq/g (Bq g -1 ) o el Ci/g (Ci g -1 ). Si la
sustancia se presenta en estado líquido o gaseoso, esta magnitud se expresa como la actividad por
unidad de volumen en condiciones normales (Bq m -3 , Ci m -3 , Bq l -1 ).
Se puede demostrar que, para una sustancia constituida por un radionúclido puro, su actividad
específica (Ae) expresada en Bq g -1 viene dada por:
A
4,
17 · 10
23
e = (9)
Ar
T1
/ 2
En la práctica se puede usar el número másico del radionúclido (A) sin errores apreciables:
4,
17 · 10
A T
23
Ae = (10)
1/
2
4.- RAMIFICACIÓN. INTENSIDAD DE LA RADIACIÓN.
La mayoría de las sustancias radiactivas se desintegran por un único proceso. No obstante,
algunos núcleos pueden desintegrarse mediante procesos radiactivos diferentes o bien tienen diversos
modos o vías para un mismo proceso. A éste fenómeno se le denomina bifurcación o ramificación
(Figura 2). Cada camino, canal o vía de desintegración tendrá su correspondiente constante (λi).
Figura 2: Ramificación de una desintegración radiactiva
La correspondiente constante de desintegración total será la suma de todas ellas:
n
∑
i=
1
λ TOTAL = λi
(11)
Apuntes de Radiactividad Ambiental
(8)

Radiactividad Página 27
con lo que la semivida del radionucleido viene dada por:
0.
693
T / 2
λ
1 = (12)
TOTAL
Se definen las fracciones de ramificación o intensidad de la radiación como:
I
i
n
λi
= ; ∑ λ
i=
TOTAL
Normalmente la intensidad se da en %. En consecuencia,
1
I
i
=
1
T
(13)
1/
2
λ i = I i λTOTAL
⇒ Ti
=
(14)
I i
Es importante resaltar que, cuando se habla de la actividad de una especie radiactiva,
generalmente se hace referencia a la actividad total de ésta,
∑
A = Ai
(15)
i
a pesar de que el núcleo en cuestión pueda desintegrarse por procesos, modos o canales diferentes.
Así, si medimos la actividad de una especie radiactiva a través de las desintegraciones (Ni) que se dan
en un cierto tiempo t por alguno de sus modos o ramas (i), la actividad total de la fuente vendrá dada
por:
N
i
A = (16)
t I
i
5.- CADENAS DE DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA. EQUILIBRIOS NUCLEARES.
Sabemos cómo evoluciona a lo largo del tiempo el número de núcleos de una población
radiactiva así como su actividad. Supongamos ahora que el descendiente de la especie radiactiva
también es radiactivo. Decimos entonces que se genera una cadena o serie radiactiva:
A ----- (λA) ------> B ----- (λB) ------> C (estable)
El radionúclido “A” es denominado padre o progenitor, mientras que el “B” es el hijo o
descendiente. En principio, la desintegración radiactiva del nucleido “A” se debe regir por la ecuación
(2). Sin embargo, la evolución del número de núcleos “B” depende tanto de su progenitor “A” que se
desintegra según su constante λA, como de la propia desintegración de “B” impuesta por la constante
de desintegración λA. Es decir, la variación en el número de núcleos “B” se rige por un término fuente
y un término de pérdida. Aplicando estas ideas a toda la serie radiactiva se obtiene un conjunto de
ecuaciones diferenciales que se denominan ecuaciones de Bateman. Por ejemplo, en el ejemplo
propuesto:
dN B = ( λ AN
A − λB
N B )dt
(17)
Apuntes de Radiactividad Ambiental

Página 28 Radiactividad
Suponiendo que para el instante inicial (t = 0), el número de núcleos “B” es NB0, la integración
de (17) resulta:
N
B
−λ
At −λBt
λBt
( e − e ) + N e
N
( t)
(18)
λ A A0
−
= B0
λB
− λ A
Las respectivas actividades se obtendrán multiplicando por las correspondientes constantes de
desintegración:
A = λ N ; A = λ N
(19)
A
A
A
B
Para facilitar un análisis más detallado de estas expresiones supongamos que, en el instante t =
0, NB0 = 0. Con ello (18) resulta:
N
B
B
A
B
B
−λ
At λBt
( e − e )
λ AN
A0
−
( t)
=
(20)
λ − λ
La expresión anterior nos muestra que el número de núcleos y la actividad del radionúclido
hijo evolucionan en el tiempo en función de la diferencia de exponenciales. Se puede demostrar que
NB(t) alcanza un máximo en un cierto instante (tm), en el que precisamente las actividades de padre e
hijo son iguales (Figura 3).
tm
=
ln λB
λ
B
− ln λ A
− λ
A
Figura 3: Evolución temporal de las actividades de padre (A) y descendiente (B)
A continuación, es interesante considerar varias situaciones interesantes:
(1) λA > λB : En este caso, el padre se desintegra más rápidamente que el hijo por lo que, con el
transcurso del tiempo, se irán “acumulando” átomos del hijo. Llegará entonces un instante en el
que el número de núcleos de “A” sea mucho menor que el de “B”, por lo que la desintegración de
éste último vendrá determinada únicamente por su propia semivida, como si el padre no existiese
(Figura 4). Ese instante (t) se determina imponiendo la condición:
Apuntes de Radiactividad Ambiental
(21)

Radiactividad Página 29
e
− λAt − λBt
> e
(23)
Apuntes de Radiactividad Ambiental

Página 30 Radiactividad
con lo cual:
A
A
B
A
λ
λ − λ
B
= (24)
La expresión (24) se conoce como equilibrio transitorio.
B
A
(3) λA < < λB : Imponiendo esta diferencia en las constantes en la ecuación (24) se llega a que AA = AB,
hecho que se denomina equilibrio secular (Figura 6). Puede comprobarse que el tiempo necesario
para alcanzar este equilibrio es de unas 7 veces el período de semidesintegración del hijo.
Por ejemplo, consideremos el 90 Sr, que con una semivida de 28.5 años, genera 90 Y (T1/2 = 2.67
días). Supongamos que la actividad inicial del padre es de 10 mCi y que la muestra que lo contiene
es inicialmente pura en Sr. Con estos datos, transcurridas unas 449 horas se habrá alcanzado el
equilibrio secular y la actividad del 90 Y será de 10 mCi.
Figura 6: Esquema de evolución de actividades hacia equilibrio secular. Obsérvese que en el intervalo de tiempo
mostrado en la figura la actividad del padre (A) permanece constante.
6.- TIPOS DE EMISIÓN RADIACTIVA.
Analizadas las leyes que gobiernan el mecanismo de la desintegración radiactiva, vamos a
profundizar en su naturaleza ya apuntada en la primera sección de este tema.
6.1 Radiactividad alfa
Mediante este mecanismo de inestabilidad dinámica un núcleo emite espontáneamente núcleos
de 4 He, denominados partículas alfa. Son partículas cargadas positivamente (Z = 2) y muy pesadas
(unas 7300 veces más masivas que electrón). Durante el proceso, el núcleo pierde su identidad
apareciendo un núcleo distinto situado 2 lugares antes en el sistema periódico, aunque no existen
variaciones en el seno de los nucleones implicados en el proceso.
Apuntes de Radiactividad Ambiental

Radiactividad Página 31
A
Z
X
→
4
2
− A
Z −
Y
+
4
2
He ( = α)
Es un proceso de desintegración típico de núcleos muy pesados, con número másico superior a
150. Excepcionalmente, pues es bastante improbable, se da en núcleos ligeros ( 8 C, 5 Li).
El descubrimiento de los procesos alfa provocó serias dificultades conceptuales a la hora de
intentar explicarlo bajo el formalismo de la Física clásica. Sólo puede ser entendido desde la mecánica
cuántica que desarrolla el denominado efecto túnel por el cual se admite la posibilidad de que una
partícula atraviese una barrera de potencial cuando, en términos de la Física clásica, no tiene energía
suficiente para superar dicha barrera.
En cualquier proceso de transformación nuclear se define una energía disponible (Q) que
viene dada por la diferencia entre las masas del núcleo originario y la de los productos de la
desintegración. Así, para la desintegración alfa:
2
Qα = ( mX
− mY
− mα
) c
(26)
El proceso es energéticamente posible si Qα > 0. Qα se distribuye entre la partícula alfa y el
núcleo hijo de forma predeterminada por los principios de conservación de la energía y el momento
lineal. Así resulta que la energía cinética de la partícula alfa viene dada por:
Eα =
A−
4
( Qα
− Eexc
)
A
(27)
mientras que la del núcleo hijo es:
4
EY = ( Qα
− Eexc
)
(28)
A
donde A es el número másico del padre y Eexc es la energía del estado excitado en el que puede quedar
el núcleo hijo.
De la expresión (27) es fácil entender que la partícula alfa presenta una energía bien definida
(las energías típicas de la radiación alfa oscilan entre los 2 y 9 MeV). Es decir, el espectro de emisión
asociado a la desintegración alfa es discreto (Figura 7).
Ahora bien, esto no quiere decir que un radionúclido emisor alfa sólo emita partículas de una
sola energía. Existen muchos núcleos emisores alfa con bifurcaciones en este tipo de desintegración de
diversa energía e intensidad, de forma que el núcleo hijo obtenido se alcanza en diferentes estados de
energía.
Esto puede observarse en los denominados diagramas o esquemas de desintegración. En ellos,
el eje de abscisas cubre el número atómico de los nucleidos implicados en orden creciente, mientras
que el eje de ordenadas muestra los niveles energéticos implicados en orden también creciente. El
diagrama puede venir complicado por la ya mencionada posibilidad de que el descendiente quede en
un estado excitado. En ese caso aparecen diversas transiciones alfa para un mismo padre con varias
emisiones gamma asociadas a los procesos de desexcitación. Estamos entonces ante un claro ejemplo
de ramificación que se señala en el esquema con las correspondientes intensidades o fracciones de
ramificación (Figura 8).
Apuntes de Radiactividad Ambiental
(25)

Página 32 Radiactividad
Figura 7: Espectro discreto de emisión de partículas alfa por 212 Bi. El ensanchamiento de los picos se debe al
poder de resolución del correspondiente espectrómetro
Figura 8: Esquema de desintegración del 238 U. Los porcentajes señalan las intensidades de ramificación de las
desintegraciones alfa que pueden observarse con este radionúclido
6.2 Radiactividad β -
Es la emisión radiactiva más común, ya que todos los nucleidos situados fuera de la franja de
estabilidad en el diagrama N-Z son emisores beta.
En este caso, se emiten electrones (radiación cargada eléctricamente) perdiendo el núcleo
padre su identidad según la reacción nuclear
A
A
0
−
Z X → Z + 1Y
+ −1e
( = β ) + ϑ
(29)
donde el último término de la ecuación se corresponde con el antineutrino, antipartícula del neutrino
quien, a su vez, no tiene masa en reposo ni carga. El electrón emitido proviene del núcleo y no de la
Apuntes de Radiactividad Ambiental

Radiactividad Página 33
corteza. La emisión que nos ocupa aparece para cualquier valor de número másico del núcleo, si bien
resulta típica de aquellos núcleos con exceso de neutrones (Figura 9)
Figura 9: Esquema de desintegración del 38 Cl. Se dan las intensidades de ramificación para la desintegración
beta.
La existencia de los procesos beta (negativo y positivo) presentó históricamente serias
dificultades teóricas de interpretación, sobre todo en cuanto a la conservación de la energía, la
cantidad de movimiento y el momento angular total.
Para resolver la cuestión, Pauli introduce en 1927 la existencia de una nueva partícula, el
neutrino, con su correspondiente antipartícula o antineutrino. El neutrino debería ser una partícula de
masa nula o casi nula, neutra eléctricamente y con un momento angular intrínseco ½.
Pese a su introducción en el campo puramente teórico, hoy en día ya existen evidencias
experimentales suficientes que demuestran la existencia real de esta partícula.
La energía disponible en este tipo de proceso es:
Q X Y − = −
β
( m m ) c
2
que se reparte entre el núcleo hijo, el electrón y el antineutrino. Las leyes de conservación de la Física
no establecen una distribución unívoca de la energía disponible por lo que el espectro será continuo.
Por tanto el electrón puede tener una energía que va desde cero hasta el total de la energía disponible.
No obstante, el valor medio de la energía cinética del electrón es aproximadamente Qβ - /3, con valores
típicos de la energía disponible entre 20 keV y 5 MeV (Figura 10).
6.3 Radiactividad β +
En este caso se tiene que:
A
Z
X
→
A
Z − 1
Y
+
0
+ 1
+
e ( = β ) +
ϑ
Apuntes de Radiactividad Ambiental
(30)
(31)

Página 34 Radiactividad
donde se emite un positrón, antipartícula del electrón y, por ello, con igual carga que éste pero de
signo positivo. En este caso la emisión va acompañada de un neutrino (υ). Esta emisión es típica de
núcleos que optan por eliminar protones para acercarse a la franja de estabilidad.
La energía disponible en este caso es:
Q + = β
x y e
( m − m − 2m
) c
2
dando lugar a un espectro continuo, con energías máximas de la partícula emitida que van desde los
300 keV a los 5 MeV.
Es interesante resaltar que como resultado de un proceso β + , aparte de los fotones gamma
emitidos en la desexcitación de los estados excitados en que puede quedar el núcleo hijo, también se
producen dos fotones gamma de 0.511 MeV que provienen de la aniquilación del positrón emitido por
el núcleo con un electrón atómico.
Figura 10: Espectro energético de los electrones emitidos en la desintegración de 32 P.
6.4 Captura electrónica (CE)
Se trata de un mecanismo que compite con el modo anterior, es decir, se da en núcleos con
exceso de protones. Se captura un electrón de las capas internas del átomo y se combina con un
protón, dando lugar a un neutrón y un neutrino. La reacción nuclear asociada es:
X
−
A
+ e → − Y
+
ϑ
A
Z Z 1 (33)
A modo de ilustración la Figura 11 muestra el esquema de desintegración del 7 Be por CE. La
energía disponible en este proceso es:
(32)
2
QCE = ( mX
− mY
) c
(34)
El proceso es energéticamente posible si QCE > 0. Si se compara esta condición con la del
proceso β + , se observa que se trata de dos transiciones en competencia y que siempre que
energéticamente sea posible la desintegración β + también lo será la captura electrónica. En cambio
puede ser posible la captura electrónica y no ser posible la β + , precisamente cuando:
0 c
2
2
< ( mx − m y ) c < 2 me
(35)
Apuntes de Radiactividad Ambiental

Radiactividad Página 35
Es importante destacar que, a diferencia de las transiciones beta, al tener dos partículas entre
las que repartir la energía disponible se obtiene un espectro de neutrinos monoenergéticos. Además, al
dejar la captura electrónica vacantes en la estructura atómica, siempre irá acompañada de la emisión
de rayos X característicos del elemento producido o bien de la emisión de electrones Auger.
Pares.
Figura 11: Esquema de desintegración por captura electrónica (CE) del 7 Be.
6.5 Estados excitados del núcleo: Radiactividad γ, Conversión Interna y Producción de
De lo visto hasta ahora queda claro que tras un proceso de desintegración como el alfa o el
beta, un núcleo puede quedar en un estado excitado. La pérdida de la consiguiente energía de
excitación puede realizarse por diversos caminos: emisión de fotón gamma, proceso de conversión
interna (IC) o proceso de producción de pares.
Por lo general, los estados excitados a los que se llega tras una desintegración alfa o beta son
de vida muy corta (10 -15 s), pero hay algunos de vida mucho más larga. Son los denominados estados
metaestables o isoméricos. Por ejemplo, el 99m Tc, con un período de semidesintegración de 6.02 horas.
a) Emisión de radiación electromagnética (radiación γ): Como ya sabemos, mediante la
emisión gamma el núcleo se desprende de la energía de excitación para pasar a un estado de energía
inferior (Figura 12):
A
Z
X
*
A
→ X
Z
+
γ
Dada la cuantización de los niveles de energía del núcleo, el espectro gamma debe ser discreto
con energías que pueden ser desde unos pocos keV hasta varios MeV. Como se ha mencionado, la
radiación gamma acompaña a las anteriores. Un núcleo emite radiación alfa o beta y deja a su
descendiente en un estado excitado con lo que la posterior desexcitación da como resultado la emisión
de radiación gamma. Esta es la razón por la que en la Naturaleza no se encuentren emisores gamma
puros, sino que aparezcan acompañando a emisiones alfa o beta.
Apuntes de Radiactividad Ambiental
(36)

Página 36 Radiactividad
Figura 12: Esquema general de transición entre estados energéticos en el núcleo con emisión de fotones gamma.
b) Proceso de conversión interna (IC): La energía nuclear es transmitida directamente a un
electrón orbital del átomo el cual es emitido. La energía cinética de estos electrones estará determinada
por la diferencia entre la energía inicial del núcleo con la final y la energía de enlace del electrón
(Figura 13).
Figura 13: Esquema de desintegración de 137 Cs. La evolución del estado excitado a 662 keV se puede hacer por
al emisión de un fotón (~ 90%) o por procesos de conversión interna de electrones de la capa K o L
La IC es preponderante en núcleos pesados, mientras que la gamma lo es en los ligeros.
Asimismo viene acompañada siempre de la emisión de rayos X o electrones Auger al quedar el átomo
en un estado excitado. Es frecuente que el IC acompañe a determinadas emisiones beta, lo que se
detecta por las consiguientes rayas monoenergéticas que se superponen al espectro continuo (Figura
14).
Apuntes de Radiactividad Ambiental

Radiactividad Página 37
Figura 14: Espectro de electrones emitidos por 137 Cs en el que se pueden distinguir las líneas (picos) debidas a
los electrones emitidos por conversión interna mostrados en el esquema de la Figura 13.
c) Producción de pares: Si la diferencia de energía entre el estado inicial y final del núcleo es
superior a 1.022 MeV se puede generar un par electrón-positrón. La probabilidad de este fenómeno es
aproximadamente 1000 veces menor que la de la desintegración gamma. Veremos más adelante cómo
este efecto aparece en la interacción de fotones gamma con la materia.
6.6 Otros tipos de desintegraciones nucleares.
Tenemos la emisión de protones, que compite con la β + y la CE. Es típica de núcleos con
exceso de protones y su caracterización física es análoga a la de la emisión alfa. (Ejemplos: 53 Co, 11 N,
12 O). Compitiendo con la emisión β - , se tiene la emisión de neutrones ( 49 K, 27 Na).
Para los núcleos pesados se puede dar la emisión de núcleos con A ≥ 4, en obvia competencia
con la emisión alfa. Por ejemplo:
223 Ra → 209 Pb + 14 C
232 U → 208 Pb + 24 Ne
226 Ra → 212 Pb + 14 C
Un modo típico de desintegración para núcleos muy pesados es la fisión espontánea ( 238 U,
236 Pu). El núcleo padre se escinde espontáneamente en dos núcleos de masa parecida junto con algunos
neutrones. Lo interesante es que la energía disponible es muy elevada, del orden de 200 MeV.
7.- RADIACTIVIDAD NATURAL.
La radiactividad es un fenómeno descubierto por el hombre, no es inventado por él. En la
Naturaleza existen elementos radiactivos y, de hecho, la vida ha coexistido con esa radiactividad desde
su aparición en el planeta. Distinguimos las fuentes naturales de radiación que no han sido originadas
a causa de actividad humana alguna. Dentro de este grupo se pueden definir dos categorías de
Apuntes de Radiactividad Ambiental

Página 38 Radiactividad
radionúclidos: los primigenios o primordiales (presentes en la corteza terrestre), y los cosmogénicos
(producidos por la interacción de los rayos cósmicos con la atmósfera terrestre).
7.1 Radionúclidos naturales primigenios
La edad de la Tierra es del orden de 4.5 · 10 9 años. Se acepta que los isótopos de todos los
elementos se formaron a partir de un plasma gaseoso sometido a elevadas temperaturas. Algunos de
estos isótopos eran radiactivos. Los que tenían períodos de semidesintegración relativamente pequeños
respecto a la edad de la Tierra han desaparecido y actualmente no participan de la radiactividad
natural.
Por el contrario, aquellos con semivida comparable o mayor que la edad del planeta continúan
contribuyendo a esta radiactividad, además de todos sus correspondientes descendientes. En la Tabla 1
listamos algunos de ellos. Son de especial interés nucleidos como el 238 U, 235 U y 232 Th, puesto que dan
lugar a las llamadas series radiactivas naturales (Tabla 2)
Radionúclido T1/2 (años) Modo
40 K 1.3 · 10 9 β - , EC
50 V 5 · 10 15 β - , EC
87 Rb 5 · 10 10
β -
115 Im 6 · 10 14 β -
138 La 1 · 10 11 β -
144 Nd 3 · 10 15 α
147 Sm 1.3 · 10 11 α
176 Lu 4.5 · 10 10 β - , EC
187 Re 7 · 10 10 β -
Tabla 1: Radionúclidos primigenios no pertenecientes a cadenas radiactivas
Número másico Nombre Serie Padre T1/2 (años) Elemento final
4n Torio
232
Th
10
1.41 · 10
208
Pb
4n + 1 Neptunio
237
Np
6
2.14 · 10
209
Bi
4n + 2 Uranio-radio
238
U
9
4.47 · 10
206
Pb
4n + 3 Uranio-actinio
235
U
8
7.04 · 10
Tabla 2: Series radiactivas naturales
Al final del tema, y a modo de anexo, presentamos las series completas del 232 Th (Figura 16),
235 U (Figura 17) y 238 U (Figura 18). Se puede observar en estas series que las semividas de todos los
descendientes son claramente inferiores a las de los progenitores. Ello, unido al tiempo transcurrido
desde que comenzó a formarse la familia, hace que se cumplan las condiciones de equilibrio secular en
cada serie. Así pues, todos los descendientes deberían desintegrarse según la actividad del padre de la
familia, presentando igual actividad. Este hecho es importante porque las rupturas del equilibrio
secular que se dan en la Naturaleza permiten extraer informaciones significativas de carácter
geológico y/o ambiental.
Mención aparte merece la serie del neptunio, que existe hoy en día pese a su semivida.
Suponemos que el 237 Np fue creado conjuntamente con los otros progenitores. Según su período de
semidesintegración debería haberse extinguido, pero debido a las pruebas nucleares realizadas durante
la segunda mitad del siglo XX ha reaparecido sobre la Tierra.
Apuntes de Radiactividad Ambiental
207 Pb

Radiactividad Página 39
7.2 Radionúclidos cosmogénicos
Existen en la Naturaleza una cierta cantidad de elementos radiactivos, con semividas pequeñas
comparadas con la edad de la Tierra, pero que son producidos continuamente en la atmósfera. Los
rayos cósmicos procedentes del sol, estrellas y espacio interestelar están constituidos por protones
(86%), partículas alfa (12%) y núcleos más pesados (2%). Estas partículas interaccionan con los
núcleos de las capas altas de la atmósfera (por encima de los 15 km) y generan núcleos radiactivos y
otras partículas secundarias que, a su vez, pueden dar lugar a nuevas especies radiactivas (Tabla 3).
La tasa de producción de los cosmogénicos ha cambiado a lo largo del tiempo, dado que el
flujo de radiación cósmica sobre la Tierra no es uniforme, dependiendo de factores como la actividad
solar, cambios en el campo magnético terrestre y los efectos que la actividad humana provoca en las
condiciones atmosféricas.
Radionúclido T1/2 Modo
40 Be 2.7 · 10 4 a β -
14 C 5740 a β -
3
H 12.5 a
β -
22
Na 2.6 a +
β , γ
35
S 87 d -
β
7 Be 53 d EC, γ
33 P 15 d β -
32 P 14.2 d β -
39 Cl 1 h β -
8.- RADIACTIVIDAD ARTIFICIAL.
Tabla 3: Principales radionúclidos cosmogénicos
Las fuentes artificiales de radiactividad son núcleos generados por el hombre a través de
determinadas reacciones nucleares,
también simbolizadas como:
a + X → b + Y
X(a, b)Y
En un reactor nuclear los núcleos X (núcleos blanco) son bombardeados con partículas ligeras
(a). A causa de la interacción, se forman nuevos núcleos, Y, y se emiten partículas ligeras (b). Los
núcleos Y pueden, a su vez, ser radiactivos y las partículas b pueden interaccionar con otros núcleos
dando lugar a otras reacciones nucleares.
Entre los radionúclidos producidos artificialmente del modo expuesto, con utilidad en campos
como la Medicina o la Metalurgia, cabe destacar:
a) Series colaterales o cadenas radiactivas artificiales: Por ejemplo, a partir de la reacción:
232 Th + 2 H → 227 Pa + 7 1 n
Apuntes de Radiactividad Ambiental

Página 40 Radiactividad
se genera la siguiente serie (Tabla 4):
Radionúclido T1/2 Modo
227 Pa 38.3 min α
223 Ac 2.2 min α
219 Fr 0.021 s
α
215 At 10 -4 s α
211 Bi 2.14 min α
207 Tl 4.77 min β -
207 Pb --- estable
Tabla 4: Serie radiactiva artificial del 227 Pa
b) Productos de fisión: La fisión es una reacción nuclear en la que los núcleos blanco son
bombardeados por proyectiles (neutrones) a consecuencia de lo cual, y en una primera etapa (Figura
15), se dividen en 2 o más núcleos llamados fragmentos de fisión. Los fragmentos emiten neutrones
(neutrones inmediatos), con lo que se consigue una reacción en cadena al interaccionar con otros
núcleos blanco y, de paso, se convierten en precursores excitados. Éstos emiten radiación gamma
(fotones gamma inmediatos) y pasan a ser precursores.
Los precursores suelen tener una relación N/Z que los alejan de la franja de estabilidad. Son,
por ello, emisores beta de cadenas radiactivas de 3 y 4 términos hasta que se convierten en nucleidos
estables. De lo dicho se desprende que los precursores generan un conjunto de radionúclidos emisores
beta que se conocen con el nombre de productos de fisión. Algunos de ellos también presentan
emisión espontánea de neutrones o neutrones retardados. Dados los diversos modos en los que el
núcleo inicial puede fragmentarse, se producen una gran variedad y cantidad de emisores beta en los
reactores nucleares de fisión. Por ejemplo, la fisión del 235 U por neutrones de muy baja energía se
puede realizar de 30 maneras diferentes, dando lugar a unos 60 fragmentos de fisión distintos.
Figura 15: Fisión nuclear. Esquema de generación de isótopos radiactivos
Apuntes de Radiactividad Ambiental

Radiactividad Página 41
9.- SERIES RADIACTIVAS
232 Th
228 Ra
5.75 a
1.39 · 10 10 a
4.01 MeV (76 %)
3.95 MeV (24 %)
Beta
Alfa
228 Ac
6.13 h
6.78 MeV (100 %)
232 U
228 Th
224 Ra
220 Rn
216 Po
212 Pb
10.64 h
72 a
5.32 MeV (68 %)
5.26 MeV (32 %)
1.91 a
5.42 MeV (71 %)
5.34 MeV (28 %)
3.64 d
5.68 MeV (94.5 %)
5.45 MeV (5.1 %)
55.6 s
6.30 MeV (100 %)
0.145 s
6.09 MeV (30 %)
6.05 MeV (70 %)
Figura 16: Serie del 232 Th
Apuntes de Radiactividad Ambiental
60.5 m
212 Bi
208 Tl
3.1 m
33.7 %
66.3 %
8.78 MeV (100 %)
3 · 10 -7 s
212 Po
208 Pb
estable

Página 42 Radiactividad
235 U
231 Th
7.13 · 10 8 a
3.39 MeV (57 %)
4.36 MeV (18 %)
25.64 d
22 a
4.86 MeV (12 %)
4.95 MeV (85 %)
21 m
5.34 MeV (100 %)
0.9 m
6.28 MeV (100 %)
8 m
231 Pa 3.43 · 10 4 a
227 Ac
223 Fr
219 At
215 Bi
4.72-5.05 MeV (100 %)
1.2 %
0.01 %
98.8 %
99.99 %
7.38 MeV (100 %)
36.1 m
227 Th
5.76 MeV (21 %)
5.98 MeV (24 %)
6.04 MeV (23 %)
223 Ra
18.2 d
11.68 d
5.54-5.75 MeV (98 %)
219 Rn 3.92 m
215 Po 1.83 · 10 -3 s
211 Pb
6.42-6.81 MeV (100 %)
6.62 MeV (83 %)
6.27 MeV (17 %)
Figura 17: Serie del 235 U
Apuntes de Radiactividad Ambiental
2.16 m
211 Bi
99.68 %
207 Tl
4.79 m
0.32 %
Beta
Alfa
0.52 s
7.43 MeV (99 %)
6.90 MeV (0.5 %)
212 Po
207 Pb
estable

Radiactividad Página 43
238 U
234 Th
24.1 d
4.49 · 10 9 a
4.20 MeV (77 %)
4.15 MeV (23 %)
234 Pa
1.18 m
3.05 m
6.00 MeV (100 %)
26.8 m
234 U 2.48 · 10 5 a
230 Th
226 Ra
4.77 MeV (72 %)
4.72 MeV (28 %)
7.52 · 10 4 a
4.68 MeV (76 %)
4.62 MeV (24 %)
1600 a
4.78 MeV (94.5 %)
4.60 MeV (5 %)
222 Rn 3.82 d
218 Po
214 Pb
5.61 MeV (0.04 %)
210 Tl
5.49 MeV (100 %)
218 At
214 Bi
19.7 m
210 Pb
2 s
214 Po
210 Bi
1.32 m 22 a 5.02 d
Figura 18: Serie del 238 U.
Apuntes de Radiactividad Ambiental
0.02 %
7.83 MeV
99.96 %
Beta
Alfa
1.64 · 10 -4 s
138.4 d
210 Po
206 Pb
estable
5.61 MeV (100 %)

Página 44 Radiactividad
237 Np
233 Pa
27d
2.14 · 10 6 a
4.77 MeV (25 %)
4.79 MeV (47 %)
233 U
229 Th
225 Ra
14.8 d
1.59 · 10 6 a
4.78 MeV (13 %)
4.82 MeV (84 %)
7.34 · 10 3 a
4.90 MeV (10 %)
4.85 MeV (56 %)
45.7 m
225 Ac
221 Fr
217 At
213 Bi
209 Tl
10.0 d
5.79 MeV (18 %)
5.83 MeV (52 %)
4.8 m
6.12 MeV (15 %)
6.34 MeV (83 %)
2.2 m
0.03 s
7.07 MeV (100 %)
Figura 19: Serie del 238 Np.
Apuntes de Radiactividad Ambiental
Beta
Alfa
213 Po
209 Pb
4.2 · 10 -6 s
5.87 MeV (2 %) 8.38 MeV (100 %)
209 Bi
3.3 h estable