Facultad de Ingeniería Colegio de Geofísica
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BENEMÉRITA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE PUEBLA Facultad de Ingeniería Colegio de Geofísica Identificación de radioisótopos de un mineral radiactivo a partir del radioespectrómetro RS-125 Tesis Que para obtener el título de Licenciatura en Ingeniería Geofísica Presenta: Jenny Arce Hernández Director de tesis: M.C. José Onésimo Filadelfo Aguilar Andrade. Co-asesor: Dr. Gabriel Juárez Díaz Puebla, Pue., Noviembre 2015
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BENEMÉRITA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE PUEBLA
Facultad de Ingeniería
Colegio de Geofísica
Identificación de radioisótopos de un mineral radiactivo a partir
del radioespectrómetro RS-125
Tesis
Que para obtener el título de Licenciatura en Ingeniería Geofísica
Presenta:
Jenny Arce Hernández
Director de tesis:
M.C. José Onésimo Filadelfo Aguilar Andrade.
Co-asesor:
Dr. Gabriel Juárez Díaz
Puebla, Pue., Noviembre 2015
ii
Resumen
Así como el siglo XIX se caracterizó por la revolución industrial con la invención de
la máquina de vapor del ingeniero inglés James Watt, el siglo XX se caracteriza
por el desarrollo de la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad. Entre los
diversos caminos que condujeron al desarrollo de la mecánica cuántica fue el
conocimiento de la radiactividad, un fenómeno que tiene lugar dentro de los
núcleos atómicos. Al concebir la idea que la radiactividad existe de manera natural
en el medio ambiente, debido a la abundancia de tres elementos radiactivos: el
uranio, torio y potasio, y sus productos de desintegración radiactiva, surgieron las
investigaciones sobre el contenido de dicho material radiactivo en el suelo, agua,
aire y organismos vivos.
El amplio uso de materiales radiactivos en la medicina, industria y en especial en
el desarrollo de fuentes de energía y de armas tan potentes como la bomba
atómica, produjo una mayor importancia en la exploración de elementos
radiactivos para desarrollarla. Dicha exploración se aboca principalmente en la
extracción de Uranio como principal fuente energética nuclear y por su principal
uso en la fisión nuclear para desarrollar radioelementos necesarios en la creación
de armas nucleares. Entre las herramientas esenciales para la exploración de
Uranio en las rocas y en los suelos, se tienen los contadores de centelleo y los
espectrómetros de rayos gamma, los cuales consisten en la medición de la
radiactividad de las principales fuentes de radiación en las rocas que son el
Uranio-238, Torio-232 y Potasio-40, además de aportar datos de sus posibles
concentraciones y dosis para determinar si existe un enriquecimiento de uranio en
una zona determinada, así como evaluar el daño posible ante la exposición a
cuerpos de alta concentración de materia radiactiva.
En el presente trabajo se busca identificar los elementos radiactivos presentes en
un mineral radiactivo, mediante el uso del radioespectrómetro de rayos gamma
iii
RS-125 al analizar los espectros de rayos gamma que provee el equipo. También
se evalúan las dosis de radiación emitida con el objetivo de conocer las
precauciones necesarias ante el manejo del mineral.
Para el desarrollo del tema es necesario conocer los tipos de radiación, el
fenómeno de la radiactividad, los elementos radiactivos naturales presentes en las
rocas, el modo en que se detecta la radiación y la identificación de radioisótopos
con el radioespectrómetro de rayos gamma RS-125.
iv
Agradecimientos
Agradezco en primer lugar, a mi asesor de tesis, el M. C. José Filadelfo Aguilar
Andrade, por su disposición, su confianza, sus orientaciones y sobre todo ello, su
paciencia en el transcurso de la realización de la tesis. Quien siempre me recibió y
atendió con ése ánimo característico suyo y de quien jamás me faltaron consejos
de vida en cada visita con el fin de motivarme y mejorarme.
A mis maestros Fernando Gómez Ceballos y Montiel Piña, por el apoyo que
llegaron a brindarme, por su confianza y su disposición para compartir su
conocimiento siempre que lo precisé.
Gracias a mi familia quienes han estado conmigo siempre para apoyarme y a mi
novio por sus palabras para apresurarme y no dejar de luchar. Agradezco a todas
aquellas personas de quien he recibido mucho ánimo para continuar y culminar el
trabajo.
v
Tabla de contenido
Resumen .................................................................................................................. ii
Agradecimientos ..................................................................................................... iv
Lista de figuras ....................................................................................................... vii
Lista de tablas .......................................................................................................... x
1. Introducción ...................................................................................................... 1
2. Objetivos........................................................................................................... 3
2.1. Objetivo general ......................................................................................... 3
2.2. Objetivos particulares................................................................................. 3
3. Marco teórico .................................................................................................... 4
3.1. Antecedentes históricos ............................................................................. 4
3.2. Descripción del átomo................................................................................ 6
3.3. Unidades de Energía ................................................................................. 6
3.4. ¿Qué es la radiación? ................................................................................ 7
3.5. Las partículas alfa ...................................................................................... 8
3.6. Las partículas beta ..................................................................................... 9
3.7. Radiación electromagnética: los rayos X y los rayos gamma .................. 11
3.8. La radiación de partículas sin carga: neutrinos y antineutrinos ................ 11
3.9. Ley del desplazamiento radiactivo: series radiactivas.............................. 13
3.10. Ley del decaimiento radiactivo ................................................................. 15
3.11. Modo de detección de la radiación: la interacción de los rayos gamma .. 17
3.11.1. Absorción fotoeléctrica ................................................................... 17
3.11.2. Dispersión Compton ....................................................................... 18
3.11.3. Producción de pares ...................................................................... 18
3.12. La radiactividad en las rocas .................................................................... 19
3.13. Aspecto biológico de la radiación ............................................................. 24
3.13.1. Unidades de radiación.................................................................... 24
3.13.2. Daño por radiación a los sistemas biológicos ................................ 25
4. Equipo ............................................................................................................ 33
4.1. Descripción del equipo ............................................................................. 33
vi
4.2. Identificación de radioisótopos ................................................................. 35
5. Medición y datos obtenidos de una muestra de mineral radiactivo con el
radioespectrómetro RS-125 .................................................................................. 40
6. Discusión de los datos del mineral radiactivo ................................................. 49
7. Conclusiones y recomendaciones .................................................................. 55
Referencias bibliográficas ..................................................................................... 56
vii
Lista de figuras
Figura 1. Primer imagen de rayos X en la historia, tomada por su descubridor el
físico alemán Wilhelm Roentgen a su esposa en 1895. .......................................... 4
Figura 2. Representación de la transición de los elementos en el sistema
periódico, debido a emisiones de radiación alfa y beta. Modificado de Petriánov,
1981, p. 51. ........................................................................................................... 15
Figura 3. Mapa de las principales localidades Uraníferas en México. ................... 23
Figura 4. Diagrama del detector de centelleo. Modificado de (11). ....................... 34
Figura 5. Muestra de mano del mineral radiactivo. ............................................... 41
Figura 6. Mineral radiactivo ................................................................................... 41
Figura 7. Ventana del software RSAnalyst, donde se muestran los resultados de
las dos pruebas de medición realizadas con el mineral. ....................................... 42
Figura 8. Espectro 1 de energías de rayos gamma obtenido de la primer medición
de la radiación a la muestra de mineral radiactivo. ............................................... 43
Figura 9. Espectro 2 de la segunda medición de rayos gamma de la muestra de
mineral. ................................................................................................................. 43
Figura 10. Ventana de los datos obtenidos de la medición de radiación de fondo.44
Figura 11. Espectro 3 de energías de rayos gamma de la medición de radiación de
fondo. .................................................................................................................... 44
viii
Figura 12. Gráfica de la calibración de la energía. Cada punto corresponde a los
picos seleccionados del espectro 1 de energías de rayos gamma de la primera
medición. ............................................................................................................... 45
Figura 13. Gráfica de las concentraciones de potasio en porcentaje en las dos
mediciones realizadas a la muestra, se colocan los valores máximos registrados
en la primer y segunda medición de radiación respectivamente. .......................... 46
Figura 14. Gráfica de las concentraciones de Uranio en partes por millón (ppm) en
la muestra de mineral, donde se indican los valores máximos obtenidos de la
primer y segunda medición. .................................................................................. 46
Figura 15. Gráfica de concentraciones Torio en partes por millón (ppm) de la
primer y segunda medición de la radiación en el mineral. .................................... 47
Figura 16. Cuentas totales donde se muestran las los máximos de radiactividad en
ambas medidas realizadas a la muestra de mineral. ............................................ 47
Figura 17. Dosis en unidades de nSv/h, obtenidas de la medición de la muestra de
mineral. ................................................................................................................. 47
Figura 18. Gráfica de la concentración de potasio en porcentaje (%) de la radiación
de fondo. Su valor máximo se indica en la parte superior derecha. ...................... 47
Figura 19. Concentración de Uranio en partes por millón (ppm) de la radiación de
fondo. .................................................................................................................... 48
Figura 20. Concentración de torio en partes por millón (ppm) de la radiación de
fondo. .................................................................................................................... 48
Figura 21. Cuentas totales por segundo en registradas en la radiación de fondo. 48
ix
Figura 22. Gráfica de las dosis obtenidas a la exposición de radiación de fondo
medida en unidades de nano sieverts por hora (nSv/hr). ...................................... 48
Figura 23. Espectro de energías de rayos gamma 1 y 2, en el intervalo de [0,1].. 50
Figura 24. Los picos que coinciden en ambos espectros de la medición del
mineral, se indican con líneas verticales. .............................................................. 51
Figura 25. La gráfica muestra tres espectros de rayos gamma, el espectro de la
primer medición del mineral en color café, el espectro de la segunda medición del
mismo; en color verde, y la medición del background en color azul, ésta última
puede verse como la base de los picos obtenidos del mineral. ............................ 52
Figura 26. Entre los elementos que pueden atribuirse al background es el Ba-133
(81 KeV), el Eu-155 (105 KeV) así como el Gd-153 (103KeV). ........................... 53
x
Lista de tablas
Tabla 1. Las series radiactivas, su elemento progenitor y fórmula a la que
obedecen los valores de masa de los elementos radiactivos. .............................. 14
Tabla 2. Isótopos radiactivos naturales presentes en la litósfera. Obtenida de (7),
p. 15. ..................................................................................................................... 20
Tabla 3. Concentraciones más comunes de Uranio, Torio y Potasio. ................... 21
Tabla 4. Minerales radiactivos más comunes del Potasio, Torio y Uranio.
Modificado de (16). ............................................................................................... 22
Tabla 5. Concentración de radioelementos en diferentes tipos de rocas. Modificado
de (9). .................................................................................................................... 22
Tabla 6. Tasa de dosis de radiación gamma externa de diferentes tipos de rocas.
Modificado de (7). ................................................................................................. 23
Tabla 7. Unidades de radiación que miden cuatro facetas diferentes de la
radiación: la actividad de la fuente, la exposición, la dosis absorbida y la dosis
efectiva equivalente. ............................................................................................. 25
Tabla 8. Fuentes de radiación natural y dosis anuales reportada en 1961 (7) y
2000 (13). .............................................................................................................. 27
Tabla 9. Principales componentes de la fisión ...................................................... 30
Tabla 10. La lista no debe considerarse que contiene todos, se agregaron
elementos de la biblioteca de isótopos del manual del espectrómetro RS-220.
xi
Modificado de (1), p. 16. Los radionúclidos de aplicación médica son de vida
usualmente corta, y los radionúclidos Ra-226 y Th-232, por ser usados
comúnmente en medidores industriales, se integran también a dicha clasificación.
.............................................................................................................................. 36
Tabla 11. Regiones de interés para la identificación de isótopos en el detector de
NaI RS-125. .......................................................................................................... 40
Tabla 13. Radioisótopos identificados en los espectros 1 y 2 de energía de rayos
gamma del mineral. ............................................................................................... 51
1
1. Introducción
El estudio de la radiactividad en el suelo, el aire y el agua forma parte de la
investigación Geofísica a principios del siglo XX, debido a los descubrimientos y
uso de los materiales radiactivos en diversos campos de la ciencia y la industria.
Dicho estudio tiene su origen con el descubrimiento de la radiación nuclear
existente en rocas y minerales por el científico francés Henry Becquerel en 1896,
al descubrir que los minerales que contienen uranio emiten unos rayos parecidos a
los rayos X (descubiertos un año antes por el científico alemán Wilhelm Röntgen)
capaces de atravesar materiales gruesos como madera e incluso algunos metales.
La tarea por comprender tales rayos misteriosos la emprende la primer mujer en
doctorarse Marie Curie, denominando a tal fenómeno natural como radiactividad,
cuando halló que el elemento torio también emitía la misma clase de rayos que el
uranio, a la vez que descubrió (con ayuda de su esposo el científico francés Pierre
Curie) los elementos polonio y el radio con esa misma propiedad.
Posteriormente con el descubrimiento de otras partículas elementales como el
neutrón, el positrón, y los isótopos, la radiactividad inducida (cuando sustancias
que no tienen propiedades radiactivas, las obtienen al tener contacto con
sustancias radiactivas) y el descubrimiento de la fisión nuclear, hizo que la
aplicación de la física nuclear en las ciencias de la tierra en general, sufriera
rápido crecimiento y aceleró el desarrollo de las exigencias tecnológicas que
requieren de una mejora en los instrumentos de medición para la detección de la
radiación nuclear o radiactividad, cuya demanda de tales elementos radiactivos se
hizo importante por las aplicaciones directas a la industria militar, además del
requerimiento del material necesario para la obtención en particular del uranio, lo
que hizo necesario emplear métodos de prospección para la exploración de
depósitos minerales de uranio (como nuevas fuentes de energía) y el petróleo, así
como permitió la investigación de la radiactividad en el agua, la atmósfera y los
cuerpos celestes, lo que abrió paso a la radiactividad no sólo en la geología sino
también en áreas como la oceanografía, la hidrología, meteorología y la salud.
2
No obstante, fue a principios de los años veinte, cuando comenzaron a
presentarse casos de envenenamiento por sustancias radiactivas en los Estados
Unidos. En los años treinta, en Europa se presentaron muertes de varios químicos
y técnicos en fábricas por envenenamiento de radio y torio. Y aunque en 1904 se
inició la investigación de los efectos biológicos que tiene la radiactividad natural en
los organismos vivos, el estudio sobre las concentraciones de sustancias
radiactivas y sus efectos cobró más fuerza debido a los casos de
envenenamientos y muertes ocasionadas por el consumo y manejo de sustancias
radiactivas.
La emergencia que surgió ante las enfermedades por sustancias radiactivas,
condujo al avance en las investigaciones relacionadas con los efectos de la
radiación en el organismo humano, además de que el aumento en el uso de
sustancias radiactivas originó un incremento en las concentraciones de sustancias
radiactivas en el ambiente.
Hoy en día, es importante el conocer y controlar la presencia de sustancias
radiactivas en el ambiente para ayudar en el conocimiento de la contaminación
radiactiva, prevenir y evitar los riesgos que resultan del manejo de éstas
sustancias. Para ello es importante conocer tanto las fuentes radiactivas como la
tasa de dosis ante la energía de radiación emitida.
Con este fin, se identificarán los elementos radiactivos naturales y aquellas
sustancias radiactivas contaminantes presentes en un mineral, mediante el
análisis de los espectros de energía del espectrómetro de rayos gamma RS-125,
así como evaluar las dosis de exposición a la radiación medida, para que con ello
se brinden las recomendaciones y cuidado necesario ante los valores medidos de
radiación.
3
2. Objetivos
2.1. Objetivo general
Identificar las fuentes de radiación de una muestra de mineral radiactivo a partir
del análisis de los datos del radioespectrómetro de rayos gamma RS-125 y
evaluar las dosis del mineral para establecer recomendaciones ante el manejo y
uso de dicho mineral.
2.2. Objetivos particulares
Conocer el equipo con el objeto de identificar los posibles errores que
puedan afectar la detección e identificación de radioisótopos.
Conocer el procedimiento para la identificación de radioisótopos.
Evaluar las dosis emitidas por el mineral radiactivo y establecer
recomendaciones para el uso y manejo de dicho mineral.
4
3. Marco teórico
3.1. Antecedentes históricos
La idea que al dividir una sustancia infinitamente, siempre habrá una porción de
ella que será la misma e inmutable, surgió hace más de dos mil años en algunos
filósofos griegos, quienes acuñaron el término átomo para referirse a esta partícula
indivisible. Fue hasta finales del siglo XIX y principios del siglo XX que el estudio
de la luz y de toda la radiación invisible condujo a la nueva concepción del átomo.
A finales del siglo XIX (con mayor precisión en 1897), la física polaca Marie Curie
buscaba un tema de investigación para realizar su doctorado y encontró un
informe del científico francés Henry Becquerel que llamó mucho su atención,
trataba de un tipo de radiación o luz invisible que podía pasar a través de
materiales gruesos como papel, madera e incluso
algunos metales. Se sabía que una placa
fotográfica virgen se vuelve negra cuando se
expone a la luz, cuanta más luz recibe más oscura
se pone, y al colocar dicha placa fotográfica entre
una persona y ésta nueva clase de radiación, se
podían obtener imágenes del interior del cuerpo
humano, la carne era más oscura y los huesos
más claros.
Figura 1. Primer imagen de rayos X en la historia, tomada por su descubridor el físico alemán Wilhelm
Roentgen a su esposa en 1895.
Llegó a creerse que la exposición de ciertos materiales a la luz solar, era la que
provocaba la emisión de aquella radiación en dichos materiales, como sucedía con
las sales de uranio. El físico francés Henry Becquerel fue quien se dio cuenta que
con la ausencia de luz, la emisión de radiación era la misma. Sin embargo no se
5
tenía idea sobre el origen de esos rayos. La tarea por comprender estos rayos la
emprendió la primer mujer en doctorarse Marie Curie, denominando el fenómeno
como radiactividad, éste fenómeno debía ocurrir dentro de los átomos, ya que la
radiación variaba sólo con la cantidad del elemento y era independiente de las
condiciones físicas o químicas en las que se encontraba la muestra (mojada, seca,
triturada, mezclada, etc.). También halló que el elemento torio emitía la misma
clase de rayos que el uranio, y descubrió con ayuda de su esposo el científico
francés Pierre Curie, los elementos polonio y el radio con esa misma propiedad.
Posteriormente, los descubrimientos de partículas subatómicas como el electrón
(descubierta por el físico inglés J.J. Thomson en 1897), las cargas positivas
(descubiertas por el físico alemán E. Goldstein en 1886), el neutrón (descubierto
por el físico inglés James Chadwick en 1932), la radiactividad inducida (cuando
sustancias que no tienen propiedades radiactivas, las obtienen al tener contacto
con sustancias radiactivas, descubrimiento de los físicos franceses Irene Curie y
su esposo Frederick Joliot en 1934), además de otros descubrimientos como la
constante h que lleva el nombre de su creador el físico alemán Max Planck,
obtenida como un truco matemático que ayudó a explicar el fenómeno de la
radiación del cuerpo negro, resolviendo el problema de la catástrofe ultravioleta y
posteriormente la explicación del efecto fotoeléctrico de otro físico alemán Albert
Einstein, quien utiliza dicha constante y le da una interpretación física al declarar
que la energía sólo se transmite en múltiplos de aquella constante h, lo que se
denomina como la cuantificación de la energía. Todos estos hallazgos y demás
descubrimientos, cambiaron la concepción del átomo como una partícula que aún
puede dividirse, con una estructura que actualmente se define con el modelo
atómico de la mecánica ondulatoria realizado por el físico austriaco Erwin
Schrödinger, el cual está basado principalmente en la propiedad ondulatoria del
electrón y en la cuantificación de la energía del electrón dentro del átomo.
6
3.2. Descripción del átomo
El átomo está formado de un núcleo y de uno o más electrones girando a su
alrededor. La región que ocupa el átomo se considera como una esfera con un
radio de 10-10m, y su núcleo el de una esfera concéntrica en su interior con un
radio de 10-14m. A la vez, el interior del núcleo contiene un número de protones y
neutrones que en conjunción reciben el nombre de nucleones. Aunque el protón y
neutrón tienen aproximadamente la misma masa, el protón está cargado
positivamente, y el neutrón (como su nombre lo indica) es eléctricamente neutro.
Al número de protones que contiene el núcleo se le denomina número atómico y
se designa por la letra Z. Mientras que, el número de masa indica el número de
nucleones, es decir, corresponde a la suma de la cantidad de protones y
neutrones contenidos en un núcleo atómico y se designa por la letra A. Aquellos
núcleos con un mismo valor de Z y diferente número de neutrones reciben el
nombre de isótopos o núclidos. Por último, la carga del electrón es negativa y de
magnitud igual a la carga del protón.
La forma de representar un núcleo atómico es mediante la siguiente manera:
A
Z X
Donde X representará el símbolo de un núcleo atómico con valor de carga Z y
valor de masa A.
3.3. Unidades de Energía
La unidad de medición de la energía de radiación es el electrón Volt (eV) que se
define como la energía cinética obtenida por un electrón al ser acelerado a través
de una diferencia de potencial de 1 volt.
191 1.602 10eV J
Por conveniencia, el kiloelectron volt (1keV=103eV) y el megaelectron volt
(1MeV=106eV) son frecuentemente empleados.
7
3.4. ¿Qué es la radiación?
La radiación se define como rayos o partículas que emiten algunos átomos, como
resultado de las transformaciones existentes entre las partículas contenidas en
sus núcleos. Y en general, existen dos tipos de radiación:
La radiación de
partículas cargadas
Partículas alfa - Las cuales consisten en la
emisión de núcleos de
átomos de Helio.
Partículas beta - Consiste en la emisión de
electrones con velocidades
cercanas a la velocidad de
la luz.
La radiación de
partículas sin carga
Rayos x,
rayos gamma
Radiación electromagnética
producto del reordenamiento de
los electrones orbitales dentro de
un átomo y como producto del
reordenamiento de las partículas
contenidas dentro del núcleo
atómico, respectivamente.
Neutrinos
antineutrinos
Partículas que son producto de
una emisión beta negativa y beta
positiva, respectivamente.
A continuación, conoceremos el procedimiento que hace posible la emisión de una
partícula radiactiva.
8
3.5. Las partículas alfa
Cuanto mayor número de protones están contenidos en el núcleo de un átomo,
mayor es la cantidad de neutrones necesarios para estabilizar las fuerzas
repulsivas que existen entre las cargas positivas de los protones. Estos elementos
son llamados inestables o radiactivos y en ellos es dónde los núcleos atómicos
sufren transformaciones para volverse, con el tiempo, en elementos estables. La
emisión de una partícula alfa es el resultado de dicha transformación nuclear que
se refiere al cambio gradual de un elemento inestable a uno estable.
Una partícula alfa, que consiste en un núcleo de Helio de número atómico 2, y
número másico 4, cuando es emitida por un elemento radiactivo, dicho elemento
cambia su valor de carga y masa, y por tanto el elemento se transforma a otro
distinto. Esto porque la propiedad de un elemento está en función de su valor de
carga, con esto la emisión de éstas partículas da lugar a la transmutación de los
elementos.
La emisión de una partícula alfa por un núcleo atómico se describe con la
siguiente ecuación:
4 4
2 2
A A
Z ZX He Y
En donde un elemento radiactivo X con número atómico Z y número másico A que
emite una partícula alfa, se transforma a un elemento Y con número atómico Z-2 y
con un número másico A-4 (debido a que ha perdido dos unidades de carga y
cuatro unidades de masa por la emisión de una partícula alfa).
Entre el protón y todos los núcleos atómicos que existen, el núcleo del átomo de
helio es el que tiene la energía cinética suficiente para escapar de un núcleo
atómico. La probabilidad de emisión de una partícula alfa por un elemento
9
radiactivo, se define por la probabilidad que tiene ésta partícula de penetrar la
barrera de potencial que la mantiene encerrada en el núcleo de un átomo. El
rango de energía cinética de las partículas alfa es de alrededor de 4 a 6 MeV,
cuanto menor es la energía cinética de la partícula alfa, mayor tiempo le tomará
salir de un núcleo atómico, debido a esto el elemento radiactivo tiene un tiempo de
vida media más larga. Por el contrario, más allá de los 6 MeV, menor es el tiempo
para que la emisión de partículas alfa suceda, y por tanto el elemento radiactivo
tiene un periodo de vida media prolongada.
Por otro lado, para valores grandes de carga y masa de la partícula alfa
comparada con los demás tipos de radiación es mayor, y por ello interacciona
fuertemente con la materia. Su alto poder ionizante que se refiere a la capacidad
de expulsar electrones de los átomos con los que choca durante su paso, hace
que la energía de la partícula se absorba rápidamente a través del medio, debido
a su colisión con los demás átomos. Esto hace que el poder de penetración o
alcance de la partícula alfa sea mucho menor que los otros tipos de radiación.
3.6. Las partículas beta
Las partículas beta son electrones rápidos cuyas velocidades se acercan a
velocidad de la luz, que al igual que las partículas alfa, son emitidas
espontáneamente por un núcleo atómico radiactivo o inestable con el objetivo de
mutar hacia un elemento estable.
La emisión de una partícula beta por un elemento radiactivo se describe en la
siguiente ecuación:
1
A A
Z ZX e Y
Donde X representa el núcleo del elemento de número atómico Z y número
másico A, que se transforma en un elemento Y de número atómico Z+1, debido a
10
la emisión de una partícula beta. No se considera un cambio en el número másico
debido a que la masa del electrón es demasiado pequeña, es 1/1837 veces más
pequeña que la masa del protón y 1/1842 veces menor que la masa del neutrón,
por tanto no se considera un cambio significante en la masa del átomo.
La transformación de partículas que ocurre dentro de un núcleo del cual se emite
una partícula beta, sucede de dos formas distintas:
a) Desintegración beta negativa:
Dentro del núcleo de un elemento radiactivo, un neutrón se transforma en un
protón, un electrón y un antineutrino, siendo expulsados el electrón y el
antineutrino inmediatamente después de su creación, quedando dentro del núcleo
atómico únicamente el protón.
n p e v
b) Desintegración beta positiva:
Dentro del núcleo atómico del elemento radiactivo, un protón se transforma en un
neutrón, un positrón y un neutrino, inmediatamente el electrón y el neutrino son
expulsados y queda únicamente el neutrón dentro del núcleo.
p n e v
Visto de otra manera, la desintegración beta negativa hace disminuir el número de
neutrones contenidos en el núcleo, mientras que, la desintegración beta positiva
aumenta el número de neutrones que contiene un elemento radiactivo. Por otro
lado, los neutrinos al ser partículas que carecen de carga y masa, su interacción
11
con la materia es sumamente débil, logrando pasar sin impedimento alguno a
través de ella.
3.7. Radiación electromagnética: los rayos X y los rayos gamma
Como vimos al inicio de éste capítulo, la radiación electromagnética forma parte
de aquella radiación con ausencia de carga eléctrica que se distingue, además de
otros factores, por su origen. La radiación electromagnética que tiene su origen en
el átomo, es emitida en forma de rayos X y rayos gamma, la cual corresponde
dentro del espectro electromagnético a frecuencias mayores a los 1017 hercios.
Cada cual es resultado de un proceso distinto en el átomo. Los rayos X son
resultado del reordenamiento de los electrones orbitales en un átomo, y los rayos
gamma son producto del reordenamiento de las partículas contenidas dentro del
núcleo, después de haber sufrido algún tipo de excitación (que se refiere al cambio
energético de un electrón orbital), emite rayos gamma como una forma de des-
excitación, dicho reordenamiento de partículas nucleares tiene una duración de
alrededor de 10-12 segundos, y tan pronto como ocurre el reordenamiento nuclear,
tiene lugar una liberación de energía en forma de rayos gamma.
Aquellos reordenamientos nucleares son los cambios que sufre el elemento
radiactivo para volverse estable debido a una emisión beta o una emisión alfa. Así,
el elemento nuevo formado queda en un estado excitado, cuya energía es igual a
la diferencia de la energía de estado excitado y des-excitado (o diferencia del
estado inicial y el estado final).
3.8. La radiación de partículas sin carga: neutrinos y antineutrinos
A pesar de que los neutrinos y antineutrinos interaccionan muy débilmente con la
materia por su ausencia de carga y masa, cabe mencionar la importancia que
tienen dentro de la geofísica.
12
Luego de detectar y medir con gran esfuerzo el espectro de energía de los
antineutrinos en la superficie terrestre; los resultados de la investigación arrojaron
datos importantes para la Geofísica.
Los antineutrinos son producidos en el interior de la Tierra gracias a los procesos
de decaimientos beta radiactivos, con esto en la Geofísica, se tiene una
posibilidad de encontrar respuestas a algunas preguntas de fenómenos que
ocurren en el interior de la Tierra, como los mecanismos relacionados con la
producción de calor, el fenómeno de convección en el manto superior, la
composición interna del manto y el núcleo, y quizá también exista una razón para
que de manera local y global estudien las anisotropías en las distribuciones
radiactivas observadas.
En consecuencia, la Tierra es una fuente rica de producción de antineutrinos, y su
detección provee información sobre la estructura interna y dinámica de la Tierra,
que es inaccesible por otros métodos geofísicos.
El estudio de los antineutrinos producidos por la Tierra, es lo que los neutrinos
representan para el estudio del Sol.
La producción de antineutrinos en el interior de la Tierra debido al decaimiento de
isótopos radiactivos presentes en la litósfera es en general, es conocido mediante
la Teoría física de un modelo conocido como el modelo estándar, el cual describe
las interacciones débiles (una de las cuatro interacciones fundamentales dentro de
las que tiene lugar la desintegración de los elementos radiactivos).
13
La siguiente reacción:
1
A A
Z ZX Y e v
Nos dice primero que se produce una emisión alfa dentro de un neutrón
enriquecido, seguido por el decaimiento beta menos. Este proceso es el que tiene
importancia fundamental para el estudio de la Geofísica.
La abundancia de isótopos radiactivos en el interior de la Tierra hace importante el
estudio de los antineutrinos en la Geofísica. Para muestras directas de rocas en
regiones cercanas a la superficie dicho estudio es limitado, mientras que para
conocer aquellas regiones localizadas en el manto superior, se debe conducir al
estudio de lavas volcánicas. También se puede aplicar al flujo de calor a una cierta
profundidad que puede ser determinado por la medida del gradiente de
temperatura, una estimación de este flujo de calor en el centro de la Tierra es de
alrededor de unos 40 Terawatts.
3.9. Ley del desplazamiento radiactivo: series radiactivas
Como hemos visto, la transformación que sufre el núcleo para encontrar su
estabilidad, es emitir una porción de su núcleo a partir de una emisión alfa o
emisión beta, es decir, el núcleo se desintegra o decae. Los elementos formados
debido a la serie de transformaciones consecutivas alfa y beta, forman parte de
una de las cuatro familias de series radiactivas que existen naturalmente en la
Tierra. La radiactividad o emisión de radiación del elemento radiactivo termina con
la formación de un isótopo de plomo estable. Las cuatro series se encuentran
agrupadas según su elemento progenitor, dicho elemento es el que da nombre a
la familia o serie radiactiva. La característica de cada serie radiactiva es que sus
masas atómicas obedecen a una fórmula específica que se muestra en la
siguiente tabla:
14
Serie
radiactiva
Elemento
progenitor
Los valores de masa
obedecen a la fórmula:
Torio 232Th 4n
Neptunio 241Pu 4 1n
Uranio 238U 4 2n
Actinio 235U 4 3n
Tabla 1. Las series radiactivas, su elemento progenitor y fórmula a la que obedecen los valores de masa de los elementos radiactivos.
En la tabla periódica la transición de un elemento radiactivo puede verse como
una serie de desplazamientos: dos lugares hacia la izquierda en una emisión alfa
(decrece dos unidades de carga positiva formando un ión negativo), o un lugar
hacia la derecha cuando el elemento emite una partícula beta (disminuye una
unidad de carga negativa formando un ión positivo). La ley del desplazamiento
radiactivo fue formulada en 1913 por el químico inglés Frederick Soddy y el
científico polaco Fajans. Ésta observación de los elementos radiactivos ayudó a F.
Soddy a acuñar el término de isótopo (de las voces griegas “isos” igual y “topos”
lugar) para denominar a las variaciones en masa de un mismo elemento y el
isótopo de un elemento radiactivo se denomina radioisótopo.
15
Figura 2. Representación de la transición de los elementos en el sistema periódico, debido a emisiones de radiación alfa y beta. Modificado de Petriánov, 1981, p. 51.
3.10. Ley del decaimiento radiactivo
La emisión de partículas radiactivas es un fenómeno espontáneo que se describe
como un proceso estadístico debido a que cada elemento tiene una probabilidad
característica λ de desintegrarse o decaer en un tiempo determinado. Es
importante saber que el elemento es una sustancia que se define por tener un
número de átomos que poseen el mismo valor de carga (o es decir, número
atómico). Así, cada elemento tiene una probabilidad característica λ de
desintegrarse o decaer en un tiempo determinado Δt, que contiene N número de
átomos. Definamos ΔN como el número de átomos que decaen espontáneamente
durante un tiempo de observación Δt. Con esto, la relación ΔN/N representa el
número de átomos que se desintegran ΔN, del número del número total de átomos
16
N del elemento, y λ es la probabilidad más representativa de que cualquier núcleo
se desintegre en un tiempo Δt.
N N t
El signo menos indica que el número de núcleos en desintegración decre. En otras
palabras, el número de núcleos que decaen en promedio en el intervalo de tiempo
Δt es proporcional al número de núcleos presentes al comienzo del intervalo.
(Glassner, 1961), lo que representa la tasa de cambio promedio de un núcleo
potencialmente radiactivo.
Δ𝑁
Δ𝑡= −𝜆𝑁
Al reducir el intervalo, la tasa de cambio instantáneo será la forma diferencial de la
ecuación:
𝑑𝑦
𝑑𝑥= lim
∆t→0
Δ𝑁
Δ𝑡= −𝜆𝑁
Cuya integración nos lleva a obtener:
𝑁 = 𝑁0𝑒−𝜆𝑡
Donde N0 representa el número de átomos en el tiempo t=0. Su forma logarítmica
equivalente es:
𝑙𝑛(N N0⁄ ) = −𝜆𝑡
Por otro lado, la vida media es el tiempo requerido para que la mitad de los
núcleos radiactivos se desintegren la mitad a su valor inicial. De modo que,
después de un lapso de vida media t=T desde un tiempo inicial t=0, el número de
átomos radiactivos considerados será la mitad del valor inicial No:
𝑁 = 𝑁0 2⁄
Sustituyendo ésta ecuación en la anterior, con t=T obtendremos:
𝑇 = ln2 𝜆⁄
La ecuación refleja que cuanto mayor es la tasa de decaimiento radiactivo, menor
será la vida media del elemento y viceversa.
17
3.11. Modo de detección de la radiación: la interacción de los rayos gamma
La ionización de los átomos que conforman el medio a través del cual viajan las
partículas de radiación, es el modo en que se detecta la presencia de radiación. El
alto poder ionizante que poseen las partículas alfa y que debido a ello su energía
es mayormente absorbida a través del medio, hace que su energía sea
completamente disipada con del grosor de una hoja de papel. Por su parte,
partículas beta con un poder de ionización menor logran tener un mayor alcance y
sin embargo, su energía es absorbida completamente por unos milímetros de una
lámina de aluminio. La radiación gamma por el contrario, por su alto poder de
penetración es de mayor importancia y aplicación para la Geofísica, de cuyas
interacciones depende su detección. Así mismo, el modo en que interactúa con la
materia depende de la energía de radiación con la cual se emite.
- Absorción fotoeléctrica: tiene lugar a bajas energía de rayos gamma y que
comprenden varios cientos de KeV.
- Producción de pares: ocurre a altas energías de rayos gamma (por encima
de 1.02 MeV, incluso hasta 5 a 10 MeV).
- Dispersión Compton: abarca el rango de energías entre ambos extremos
mencionados.
3.11.1. Absorción fotoeléctrica
En el proceso fotoeléctrico toda la energía de un fotón de rayo gamma incidente
es absorbida por el electrón orbital de un átomo y aparece como la energía
cinética del electrón que ha expulsado del átomo. La energía del electrón
expulsado es igual a la diferencia entre la energía del fotón incidente y la energía
de enlace del electrón. Si la energía del fotón excede la energía de enlace de la
capa más interna del átomo, la interacción será principalmente con los electrones
de aquella capa. El resultado del vacío dejado en la capa del electrón expulsado
es llenado con un reordenamiento de los electrones, lo que provoca además una
emisión de rayos X.
18
3.11.2. Dispersión Compton
Éste fenómeno es conocido como efecto Compton o como dispersión Compton,
debido a su descubridor el físico estadounidense Arthur Holly Compton en 1925.
En este proceso el fotón incidente es desviado por los electrones, con una
pérdida parcial de su energía. Este proceso ocurre generalmente con un electrón
libre o débilmente unido al átomo, cuya energía del fotón incidente es compartida
entre el electrón y el fotón desviado (de modo que la energía perdida por el fotón
incidente está en un función del ángulo a través del cual dicho fotón es
dispersado, esto es, el ángulo entre la dirección del fotón antes y después de la
colisión). A bajas energías un rayo gamma puede ser desviado por un electrón
orbital, en este caso el átomo permanece en su estado inicial de energía, la
perdida de energía del fotón es insignificante de modo que sólo existe un cambio
en su dirección
3.11.3. Producción de pares
La producción de pares tiene lugar cuando el fotón incidente tiene un exceso de
energía de la masa en reposo de un par electrón-positrón (1.02MeV). El proceso
ocurre con el encuentro de un fotón en el intenso campo eléctrico de un núcleo
atómico del material absorbente, el rayo gamma desaparece y un par de positrón-
electrón es creado. Si el rayo gamma incidente excede el valor de energía mínima
de 1.02MeV que hace posible la producción de pares, ese exceso de energía
aparece en forma de energía cinética compartida por el par electrón-positrón. Por
lo tanto el proceso consiste en convertir el fotón de rayo gamma incidente en las
energías cinéticas del electrón y positrón, cuya energía total es:
𝐸𝑒− + 𝐸𝑒+ = ℎ𝜈 − 2𝑚0𝑐2
19
Ésta ecuación refleja que la suma de las energías cinéticas del par electrón-
positrón, tiene un valor igual a la diferencia entre valor de energía del fotón
incidente y la energía necesaria para la creación de estos pares.
El par electrón-positrón viajan unos pocos milímetros a lo sumo, antes de perder
toda su energía cinética con el medio absorbente.
La producción de pares es un proceso complicado por el hecho de que los
positrones no son partículas estables, una vez que su energía cinética llega a ser
demasiado baja, el positrón será aniquilado o combinado con un electrón normal
en el medio absorbente, en este punto ambos desaparecen y son reemplazados
por la emisión de dos fotones de energía igual a la masa en reposo de las
partículas. El tiempo requerido para que el positrón reduzca su velocidad y se
aniquile es muy pequeño, de manera que la radiación de aniquilación del par,
aparece en coincidencia con la original interacción de producción de par.
3.12. La radiactividad en las rocas
A través del estudio de la litósfera accesible a través muestras obtenidas de
perforaciones, reconocimientos aéreos de rayos gamma y los registros de rayos
gamma de pozos de petróleo, se han encontrado pequeñas variaciones
horizontales y verticales de flujo de radiación nuclear dentro de las rocas más
comunes en la litósfera como en granitos y pizarra. Las fuentes de radiactividad
nuclear más frecuentes han sido el Torio con una concentración de 11 a 15 partes
por millón, el Uranio con 3 a 4 partes por millón y el Potasio-40 alrededor de 3
partes por millón.
Gracias a los diversos estudios, comenzó a conformarse un registro de los núcleos
radiactivos presentes en la litósfera divididos en cuatro grupos según su
abundancia y actividad específica, los cuales se muestran en la Tabla 2.
20
Isótopo Abundancia en la litósfera Vida media en años
Productos de desintegración estables
Uranio-238 99.28% de 3.0±0.6 partes por millón 4.5×109 Plomo-206 y 8 helio-4
Uranio-235 0.71% de 3.0±0.6 partes por millón 7.5×108 Plomo-207 y 7 helio-4
Torio-232 11.4±2.0 partes por millón 1.4×1010 Plomo-208 y 6 helio-4
Potasio-40 3 partes por millón 1.3×109 Argón-40 y calcio-40
Rubidio-87 75 partes por millón 5×1010 Estroncio-87
Indio-115 0.1 partes por millón 6×1014 Estaño-115
Telurio-130 0.007 partes por millón Aprox. 1021 Xenón-130
Yodo-129 debajo de los límites actuales de detección 1.7×107 Xenón-129
Lantano-138 0.01 partes por millón 7×1010 Cerio-138 y bario-138
Samario-147 1 parte por millón Aprox. 1011 Neodimio-143 y helio-4
Lutecio-176 0.01 partes por millón Aprox. 1010 Hafnio-176 e Iterbio-176
Renio-187 0.001 partes por millón 4×1012 Osmio-187
Bismuto-209 0.2 partes por millón 2×1017 Talio-205 y helio-4
Vanadio-50 0.2 partes por millón Aprox. 1014 Cromo-50 o Titanio-50
Antimonio-123 0.1 partes por millón Muy largo Telurio-123
Neodimio-150 1 parte por millón 1015 Prometio-150
Volframio-178 menos de 0.001 partes por millón Muy largo Hafnio
Volframio-180 menos de 0.001 partes por millón Muy largo Hafnio
Tabla 2. Isótopos radiactivos naturales presentes en la litósfera. Obtenida de (7), p. 15.
En orden vertical, los radioisótopos que conforman la parte superior de la tabla,
corresponden a lo radioisótopos más abundantes y presentes naturalmente en las
rocas, conforme la lista aumenta, los radioisótopos llegan a considerarse de muy
baja o dudosa concentración natural entre las rocas.
Con respecto a la actividad específica y abundancia de los núcleos de Uranio-238,
Uranio-235, Torio-232 y Potasio-40, junto a sus productos radiactivos, conforman
el grupo I, y son la mayor fuente de radiactividad presente en las rocas. El grupo II,
conformado únicamente por el isótopo de Rubidio-87, tiene una abundancia
relativamente abundante, además de ser ampliamente utilizado en la
determinación de la edad, sin embargo, su baja actividad radiactiva hace que su
contribución de radiación sea mucho menor. La radiactividad de los núcleos del
grupo III, de abundancia y actividad radiactiva baja hace que su contribución de
21
radiación y su uso para la determinación de la edad sea escaso. El grupo IV se
conforma de núcleos cuya radiactividad o presencia está en duda (7).
Debido a que la fuente principal de radiación en la litósfera proviene de los
radioelementos Uranio-238, Torio-232 y Potasio-40. Se tiene que las
concentraciones más comunes de ellos son las que se muestran:
Radioisótopos naturales
Concentración más común en la litósfera
Torio-232 (ppm) 2 – 15
Uranio-238 (ppm) 2.6 - 4
Potasio-40 (%) 0.01 – 2.6
Tabla 3. Concentraciones más comunes de Uranio, Torio y Potasio.
Así mismo, la abundancia de los elementos radiactivos presentes en la litósfera
depende de las rocas y de la región (generalmente disminuye con la presencia de
granitos a basaltos, y de basaltos a dunitas en cuanto al contenido U-238 y Th-
232). El Uranio se encuentra en altas concentraciones en rocas félsicas tales
como granitos.
Debido a que las principales fuentes de radiactividad en las rocas son los
radioelementos U-238 y U-235, Th-232 y K-40, los minerales radiactivos más
comunes de estos radioelementos se muestran en la Tabla 4.
22
Minerales radiactivos
Potasio Minerales Ortoclasa y feldespatos microline [KAlSi3O8]
Muscovita [H2KAl(SiO4)3]
Alunita [K2Al6(OH)12SO4]
Silvita,carnalita [KCl,MgCl2.6H2O]
Torio Minerales Monazita [ThO2+fosfato de tierra rara]
Torianita [(Th,U)O2]
Torita, uranotorita [ThSiO4+U]
Uranio Minerales Uraninita [óxido de U, Pb, Ra+Th, tierras raras]
Carnotita [K2O.2UO3.V2O5.2H2O]
Gumita [alteración de la uraninita]
Tabla 4. Minerales radiactivos más comunes del Potasio, Torio y Uranio. Modificado de (16).
Diversas investigaciones han ayudado a determinar las concentraciones de
radioelementos en diferentes tipos de rocas, las cuales son mostradas en la Tabla
4 (9).
Concentración de radioelementos en diferentes tipos de rocas
Tipos de rocas U (ppm) Th (ppm) K (%)
Promedio Rango Promedio Rango Promedio Rango
Extrusivas ácidas 4.1 0.8 16.4 11.9 1.1 41 3.1 1 6.2
Intrusivas ácidas 4.5 0.1 30 25.7 0.1 253.1 3.4 0.1 7.6
Extrusivas intermedias 1.1 0.2 2.6 2.4 0.4 6.4 1.1 0.01 2.5
Intrusivas intermedias 3.2 0.1 23.4 12.2 0.4 106 2.1 0.1 6.2
Extrusivas básicas 0.8 0.03 3.3 2.2 0.05 8.8 0.7 0.06 2.4
Intrusivas básicas 0.8 0.01 5.7 2.3 0.03 15 0.8 0.01 2.6
Ultrabásicas 0.3 0 1.6 1.4 0 7.5 0.3 0 0.8
Feldespato-alcalina extrusiva intermedia 29.7 1.9 62 133.9 9.5 265 6.5 2 9
Feldespato-alcalina intrusiva intermedia 55.8 0.3 720 132.6 0.4 880 4.2 1 9.9
Feldespato-alcalina extrusiva básica 2.4 0.5 12 8.2 2.1 60 1.9 0.2 6.9
Feldespato-alcalina intrusiva básica 2.3 0.4 5.4 8.4 2.8 19.6 1.8 0.3 4.8
Rocas sedimentarias químicas 3.6 0.03 26.7 14.9 0.03 132 0.6 0.02 8.4
Carbonatos 2 0.03 18 1.3 0.03 10.8 0.3 0.01 3.5
Rocas sedimentarias detríticas 4.8 0.1 80 12.4 0.2 362 1.5 0.01 9.7
Rocas ígneas metamorfizadas 4 0.1 148.5 14.8 0.1 104.2 2.5 0.1 6.1
Rocas sedimentarias metamorfizadas 3 0.1 53.4 12 0.1 91.4 2.1 0.01 5.3
Tabla 5. Concentración de radioelementos en diferentes tipos de rocas. Modificado de (9).
23
Así mismo, las dosis han sido valoradas de manera general para las rocas ígneas
y las rocas sedimentarias, las cuales son mostradas en la Tabla 5 de acuerdo con
(7).
Tipo de rocas Tasa de dosis en mSv por año
Ra-226 U-238 Th-232 K-40
Rocas ígneas 0.24 0.258 0.368 0.346
Rocas sedimentarias
Arenisca 0.13 0.077 0.184 0.146
Pizarra 0.2 0.077 0.306 0.3
Caliza 0.077 0.084 0.04 --
Tabla 6. Tasa de dosis de radiación gamma externa de diferentes tipos de rocas. Modificado de (7).
En México, la distribución de depósitos uraníferos, donde podemos notar una
marcada distribución que corresponde a tres zonas: el noroeste del país (Sonora,
Chihuahua y Durango), en el centro del país (Zacatecas y San Luis Potosí) y en el
sur (Oaxaca).
Figura 3. Mapa de las principales localidades Uraníferas en México.
24
3.13. Aspecto biológico de la radiación
3.13.1. Unidades de radiación
Las siguientes unidades de radiación miden cuatro facetas diferentes de la
radiación: la actividad de la fuente, la exposición, la dosis absorbida y la dosis
equivalente.
Actividad de una fuente radiactiva. Fue determinada por primera vez por Marie
Curie y la determinó con respecto a la actividad de 1 gramo de Radio-226, la cual
se define como el número total de desintegraciones por unidad de tiempo (por ésta
razón se acuñó el término de radioactividad).
1𝐶𝑖 = 3.7 × 1010𝑑𝑝𝑠
Sin embargo, en el Sistema Internacional (SI), la unidad de actividad que se usa
es el Becquerel (Bq), como el número de desintegraciones que ocurren en un
segundo.
1𝐶𝑖 = 3.7 × 1010𝐵𝑞
Exposición. Debido a que los efectos dañinos de la radiación son causados por la
ionización de los átomos, la exposición mide la ionización que causan los rayos X
y los rayos gamma. La ionización forma cierta cantidad de carga de iones positivos
(debido que pierden electrones adquieren una carga positiva) por kilogramo de
aire a través del cual pasa la radiación.
1𝑅 = 2.58 × 10−4𝐶/𝑘𝑔
“C/kg: Coulombs debido a iones positivos por kilogramos de aire normal”.
La unidad se denomina Roentgen en honor al descubridor de los rayos X.
Dosis de absorción. Es una medida de la energía absorbida por un kilogramo
(kg) de materia o tejido. La unidad es llamada Gray.
25
Dosis absorbida (Gy) = 0.00877 𝐺𝑦 (J/kg)
= 0.877 𝑟𝑎𝑑 (ergs/gr)
Dosis equivalente. Una misma cantidad de energía por gramo causa diferentes
cantidades de daño biológico, ya que cada tipo de radiación interactúa de manera
distinta con la materia, debido a esto se estableció la dosis equivalente.
La dosis equivalente llamada Sievert (Sv) es igual a la dosis absorbida,
multiplicada por un factor que toma en cuenta la manera en que un tipo de
radiación distribuye su energía en el tejido. Para los rayos gamma, rayos X y
partículas beta, éste factor es igual a 1. Por ello la dosis absorbida es
numéricamente igual a la dosis equivalente.
1𝐺𝑦 = 1𝑆𝑣
1𝑟𝑎𝑑 = 1𝑟𝑒𝑚
Unidades de radiación
Actividad Exposición Dosis de absorción Dosis efectiva
equivalente
1C=3.7 x 1010 Bq
=3.7 x 104 Rd
1 R=2.58 x 1010
C/kg 0.00877 Gy (J/kg) 0.00877 Sv
0.877 rad (ergios/gr) 0.877 rem
Tabla 7. Unidades de radiación que miden cuatro facetas diferentes de la radiación: la actividad de la fuente, la exposición, la dosis absorbida y la dosis efectiva equivalente.
3.13.2. Daño por radiación a los sistemas biológicos
El cambio energético que produce la ionización al cambiar una sustancia en otra,
es lo que origina ese daño o alteración en los organismos vivos.
26
La unidad básica de los organismos vivos que son las células, consisten alrededor
de un 80% de agua y el resto, de compuesto biológicos complejos. Cuando la
radiación ionizante pasa a través de ella, produce moléculas de agua con carga y
las rompe en entidades llamadas radicales libres (como el hidroxilo OH, que está
compuesto por un átomo de oxígeno y un átomo de hidrógeno). Los radicales
libres son muy reactivos químicamente y pueden alterar moléculas importantes en
la célula. Una molécula importante es el ácido desoxirribonucleico (ADN) que se
encuentra principalmente dentro del núcleo de las células. Ésta importante
molécula controla la estructura y función de la célula. Aún no se comprenden
todas las maneras en que la radiación daña las células, pero muchos involucran
cambios en el ADN.
Las partículas alfa penetran escasamente la capa externa de la piel, las partículas
beta penetran algunos centímetros de ella, de manera que el daño principal de
ambas, es mediante la inhalación o ingesta de ellas, por el contrario, los rayos
gamma pasan a través del cuerpo, lo que la hace un peligro tanto externo como
interno, así como los rayos X.
De manera general, la radiación influye en la vida de dos maneras: natural y
artificial, la natural es aquella que se encuentra en el suelo, agua, aire y
organismos vivos por naturaleza.
Como vimos anteriormente, los elementos radiactivos principales y más
abundantes en las rocas son el Uranio-238, Torio-232 y Potasio-40. El gas Radón
es un radioisótopo producido de la desintegración del Uranio, y que forma parte de
un tercio de la dosis natural que recibimos a través del aire (y por tanto se
acumula en lugares mal ventilados o fallas geológicas), así como los rayos
cósmicos, y aquellos contenidos en los organismos vivos. Todas éstas conforman
las fuentes de radiación externa.
27
Las fuentes de radiación interna es aquella que se incorporan dentro de los
organismos vivos a través de lo que respiran, comen, y beben; el potasio-40 es la
fuente principal de radiación interna.
Fuentes de radiación natural Dosis equivalente anual
(mSv/a)
Rocas U-238 y productos de desintegración 0.08-0.25
U-235 y productos de desintegración
Th-232 y productos de desintegración 0.04-0.36
K-40 0.14-0.34
Ra-226 0.07-0.24
Aire Rn-222, Rn-219, Rn-220 0.02 0.2-10
Esqueleto humano (irradiación interna)
K-40 0.007
0.2-0.8
C-14 0.005
Ra-226 0.012
Ra-228 0.016
Pb-210 0.014
U-238 0.001
U-235
Rayos cósmicos Partículas provenientes del espacio 0.28 0.3-1
Reporte 1961 Reporte 2000 Tabla 8. Fuentes de radiación natural y dosis anuales reportada en 1961 (7) y 2000 (13).
Luego del descubrimiento de los rayos X por Roentgen y en mayor medida, luego
del descubrimiento de la radiactividad, los primeros usos de los elementos
radiactivos fueron en el ámbito de la medicina. Posteriormente el incremento en el
uso de elementos radiactivos en la industria, en el desarrollo de armas (como la
bomba atómica) y en el desarrollo de la energía nuclear, hizo más necesaria la
explotación del uranio, además de que, con la fisión nuclear (dividiendo núcleos de
átomos pesados para obtener sustancias ligeras) se crearon nuevos
radioisótopos.
A pesar de que el interés por los efectos biológicos de la radiación a niveles bajos
se iniciaron a través de los estudios por M. Tommasina en 1904 y por J. Penkava
en 1912, fue hasta los años veinte en que se reportaron los primeros casos de
envenenamiento por radio en los E.U. (trabajadoras afinaban sus pinceles con la
boca usando pintura con alto contenido radio y por la venta de agua con contenido
28
de radio, como cura), y a mitad de los treinta, en fábricas de refinamiento y
encapsulamiento de radio y torio, varios técnicos y químicos murieron por
envenenamiento de estos elementos. Estos acontecimientos despertaron el
interés por conocer los efectos de la radiación en el organismo. Con el tiempo se
condujo a establecer las dosis límite permitidas de exposición a la radiación.
Actualmente la Comisión Internacional de Protección Radiológica (CIRP por sus
siglas en inglés) emite las recomendaciones para la práctica en la posesión, uso,
transporte y almacenamiento de material radiactivo, y en cada país existen
organismos que reglamentan éstas actividades, basadas generalmente en las
recomendaciones de CIRP. En México la Comisión Nacional de Seguridad Nuclear
y Salvaguardias establece en el Reglamento General de Seguridad Radiológica,
los valores de dosis límite anuales para el personal ocupacionalmente expuesto y
para individuos del público (de los artículos 20 y 37, respectivamente Reglamento
General de Seguridad Radiológica de 1988).
- Personal ocupacionalmente expuesto: 50 mSv por año.
- Personas del público: 5 mSv/año.
En hospitales donde se realizan estudios radiológicos y sitios donde se llevan a
cabo esos mismos estudios por empresas privadas, se rigen bajo éstas mismas
dosis límite anuales, donde únicamente el personal que ingresa al área donde se
emite la radiación (personal que se encarga de emitir la dosis) son las que
personas que se encuentran monitoreadas, se trata de llevar consigo un dosímetro
que mide constantemente su dosis equivalente en miliSieverts (mSv), y
anualmente se evalúan sus dosis recibidas. En cuanto a la protección del lugar las
paredes que cubren el área de estudio deben tener un grosor de hormigón que en
su interior contenga una malla de plomo, incluso los cristales a través de los
cuales observan al paciente debe contener plomo, así como las bata o chalecos
con los cuales se cubren durante el trabajo en aquella área deberá contener cierto
grosor de plomo. Algunas precauciones que requieren los dosímetros es no
exponerlos a la radiación solar y no debe salir del área de los estudios.
29
Sin embargo, es importante recalcar que los valores de dosis límite son aplicables
para los llamados efectos estocásticos. Estos efectos no aseguran y tampoco
niegan la aparición de efectos dañinos por radiación, sólo existe una cierta
probabilidad de que se produzcan los efectos, que entre los más conocidos son el
cáncer y las mutaciones genéticas. Por el contrario, para los efectos no
estocásticos, es seguro la aparición de efectos por exposición a la radiación según
la dosis recibida.
- Personal ocupacionalmente expuesto: 500 mSv/año.
- Cristalino (lente del ojo humano): 150 mSv/año.
Ambos valores provienen del artículo 21 del Reglamento General de Seguridad
Radiológica de 1988 de la Comisión Nacional de Seguridad Nuclear y
Salvaguardias.
El problema es que éstas normas recomendadas por la CIRP, están basadas en el
modelo de Hiroshima y Nagasaki, donde la población fue expuesta a una intensa
radiación de índole externa y muy breve, el problema actual es la contaminación
de elementos radiactivos en el aire, agua, alimentos (como vegetales, granos y
carne), y en materiales de construcción que expone a la población a niveles bajos
de radiación pero de una manera continua, lo que se denomina una contaminación
interna crónica.
Las pruebas de armas nucleares en la atmósfera, el accidente de Chernóbil y la
descarga deliberada de desechos radiactivos de instalaciones nucleares y de otro
tipo, han liberado al ambiente radioisótopos como los que se encuentran en la
tabla 5. Entre ellos, el consumo humano de estroncio-90, que debido a su parecido
en propiedades químicas con el Calcio, ha sido ingerido a través de productos de
leche de vacas que se alimentan de vegetación contaminada por la lluvia
radiactiva. El radioisótopo fue detectado principalmente en los personas de Reino
Unido debido a un gran número de pruebas de armas que tuvieron lugar en el
30
verano y otoño de 1958. Ése mismo año estudios mostraron que el mayor
consumo de estroncio era a través del consumo de arroz en la población de
Japón. El parecido en propiedades químicas del estroncio-90 y el calcio, permite
que éste radioisótopo se fije en los huesos, y debido a esto, la concentración de
estroncio-90 en huesos humanos es mayor en los países donde la presencia de
lluvia radiactiva es mayor.
Principales componentes de la fisión
Productos de fisión
Radiación emitida
Sr-89 Β
Sr-90 Β
Y-90 Β
Y-91 Β
Zr-95 β, γ
Nb-95 β, γ
Mo-99 β, γ
Tc-99 β, γ, electrón
Ru-103 β, γ
Rh-103 γ, electrón
Te-132 β, γ
I-131 β, γ
I-132 β, γ
Xe-133 γ, electrón
Cs-137 β, γ
Ra-137 γ, electrón
Ba-140 β, γ
La-140 β, γ
Ce-141 β, γ, electrón
Ce-144 β, γ
Pr-143 Β
Pr-144 Β
Pm-147 Β Tabla 9. Principales componentes de la fisión
Del mismo modo, análisis para el Cesio-137 (que tiene una vida media de 30
años) realizados en Canadá, en la República Federal de Alemania, en Reino
31
Unido y Estados Unidos indican que la fuente principal de éste radioisótopo al
cuerpo humano ha sido por leche y carne. Éste radioisótopo es absorbido por el
tracto intestinal humano y permanece en nuestro cuerpo alrededor de 4 meses.
Antes de su excreción, el radioisótopo decae en Bario-137, el cual emite radiación
gamma.
El Yodo-131 que tiene una vida media de 8 días es concentrado en la glándula
tiroidal (así como otras formas de yodo), y fue también motivo de contaminación
en los años sesentas.
México no ha sido exento de contaminación, en 1984 fue fundida una bomba de
cobalto-60 de un equipo viejo de rayos X adquirido en 1977. Bajo la ignorancia del
conocimiento del daño que causa la radiación de la bomba de cobalto-60, el
equipo fue desmantelado por instrucciones del jefe de mantenimiento del hospital
y se llevó a vender como fierro viejo provocando una enorme contaminación
radiactiva. Miles de toneladas de metales contaminados por radiación se enviaron
para producir varillas para construcción a diversas fundidoras tanto de Chihuahua,
Durango, Monterrey San Luis Potosí. Y el ocultamiento de la información a la
población dejó en pie muchas de las construcciones contaminadas en el país.
La abundancia de residuos radiactivos arrojados en la corriente de California pone
en riesgo la vida animal de mares mexicanos que forman parte ésta corriente, que
puede ser ingerida a través de consumo de animales marinos de la zona.
Los tratamientos de los residuos es de alto costo, y dispersarlo en el ambiente
bajo cuidados y condiciones controladas es frecuentemente la manera de
arreglarlo. Y para ello, la Comisión Internacional de Protección Radiológica
establece recomendaciones sobre la disposición y descarga de residuos
radiactivos en el mar, ríos, así como a profundidades de la Tierra.
32
Sin embargo, la capacidad que tienen los ambientes naturales, como el océano,
los ríos, las formaciones geológicas, entre otros, en recibir residuos radiactivos,
requiere aún de estudios sobre los procesos físicos, químicos, biológicos y
geológicos que contrae la disposición de residuos radiactivos, cuya actividad
permanecerá en el sitio desde miles a millones de años.
33
4. Equipo
4.1. Descripción del equipo
El equipo utilizado para detectar e identificar los radioisótopos fue un detector de
centelleo, el radioespectrómetro de rayos-gamma RS-125, el cual es un
instrumento portátil que detecta y cuantifica la radiación de los rayos gamma.
El instrumento consiste esencialmente de:
Un cristal
Tubo fotomultiplicador
Analizador multicanal de Alturas de Pulsos
El cristal es el detector del instrumento, se trata de una sustancia que tiene la
propiedad de absorber la energía de una radiación incidente y emitirla en forma de
luz, dicha sustancia se denomina fósforo, la cual puede ser orgánica o inorgánica.
El cristal del detector es un fósforo inorgánico que consiste en cristales de yoduro
de sodio que contiene como activador al elemento Talio, éste último es necesario
para facilitar la excitación atómica de los cristales, los cuales al des-excitarse
emiten una fracción de su energía absorbida en forma de luz.
Los fotones emitidos del cristal llegan al fotocátodo de un tubo fotomultiplicador, y
expulsan fotoelectrones del fotocátodo, dichos fotoelectrones son multiplicados
varias veces por los dínodos (cada dínodo libera a varios electrones secundarios)
del tubo fotomultiplicador. Este proceso multiplicativo produce un pulso de
corriente de salida comparativamente grande al que se puede obtener con un
pulso de luz de la sola partícula incidente (aproximadamente amplifica la señal del
rayo gamma incidente por un factor de 106). Es decir, el tubo fotomultiplicador
transforma los destellos de luz en señales eléctricas para que la señal sea
procesada en un Analizador Multicanal de Alturas de Pulsos. Éste último, al recibir
los pulsos de las radiaciones de diferentes energías de la fuente, los clasifica y
almacena en canales, cada uno comprende un rango de energía, a la vez que va
34
contando el número de eventos en cada canal. Así, el número de cuentas en cada
canal es el número total de pulsos de una determinada altura que ha llegado en
ése tiempo. La información procesada por el analizador multicanal es desplegada
gráficamente de manera que, el eje de las ordenadas representa el número de
pulsos o cuentas recibidas en el detector, y el eje de las abscisas contiene el
número de canal o su valor de energía equivalente de radiación.
Figura 4. Diagrama del detector de centelleo. Modificado de (11).
El analizador permite la detección de radioisótopos sin necesidad de hacer ningún
ajuste, aparte de la calibración del instrumento. Esa ventaja se debe a que el
analizador multicanal recibe y detecta un amplio rango de energías para ofrecer
mejor resolución, lo que permite diferenciar entre dos energías distintas pero muy
cercanas que provienen de radionúclidos diferentes.
En conclusión, el instrumento facilita el análisis de muestras sin necesidad de
alguna preparación en ella, simplemente centrando la muestra sobre el detector y
realizar el respectivo análisis de energías.
35
4.2. Identificación de radioisótopos
Para identificar los radioisótopos con el detector de NaI (Tl), fue necesario
considerar los siguientes criterios:
1. Identificar el algoritmo utilizado por el detector de NaI para saber qué
isótopos pueden ser identificados e indicar su categoría
Estos algoritmos consisten en medir el grado de similitud entre las
características del espectro medido y los espectros de referencia que
existen en una biblioteca de radioisótopos que contiene el instrumento. Del
algoritmo depende el modo de análisis en que opera el instrumento, los
algoritmos son:
a) Los métodos interactivos de expertos: Identifican y comparan los picos
más grandes en el espectro medido con aquellos que existen en su
biblioteca.
b) Los métodos de comparación de la biblioteca: El centro del pico es el
motivo de comparación con aquellos que existen en su biblioteca. En este,
los pequeños desplazamientos o inexactitudes en la calibración de energía
pueden conducir a una identificación incorrecta de los isótopos.
c) Los métodos de comparación de plantillas: Cuantifican la calidad de
ajuste que hay entre un espectro medido y los espectros de su biblioteca.
La biblioteca se conforma de varias plantillas de espectros para cada
isótopo, cada plantilla varía según el medio de detección, los materiales que
intervienen y las distancias entre la fuente y el detector. Este método hace
posible inferir no sólo las fuentes de radiación, sino también los materiales
que pueden intervenir entre la fuente y el detector. Por otro lado, la calidad
del método disminuye conforme aumenta la mezcla de fuentes radiactivas,
para estos casos algunos instrumentos tienen consideradas algunas
combinaciones de fuentes.
d) Métodos de la región de interés: El método comprende una o más
regiones de interés para cada uno de los radionúclidos que necesita
36
identificar de su biblioteca, de un modo que evita la superposición de dichas
regiones de interés. Debido a esto, el método se dificulta cuanto mayor es
el número de isótopos contenidos en su biblioteca.
En consecuencia, cada algoritmo difiere en la forma de representar los datos de
medida, los datos de referencia y el método de comparación entre cada uno de
ellos.
Luego de saber qué isótopos pueden ser identificados por el instrumento, se
establece a qué categoría pertenecen. Existen cuatro categorías diferentes donde
se agrupan los radioisótopos de mayor interés y que son los más probables a ser
encontrados en una muestra:
Categoría Radionúclidos
Materiales nucleares especiales Uranio (U-233, U-235), Neptunio-237, Plutonio-239.
Radionúclidos médicos
Fluor-18, Galio-67, Cromo-51, Selenio-75, Estroncio-89, Molibdeno-99, Tecnecio-99m, Paladio-103, Indio-111, Yodo (I-123, I-125, I-131), Samario-153, Talio-201, Xenón-133, Criptón-85
Materiales radioactivos naturales (NORM)
Potasio-40, Radio-226, Torio-232 y sus hijos, Uranio-238 y sus hijos.
Radionúclidos industriales Cobalto (Co-57, Co-60), Bario-133, Cesio-137, Iridio-192, Talio-204, Radio-226, Americio-241, Cadmio-109, Sodio-22 y Torio-232.
Tabla 10. La lista no debe considerarse que contiene todos, se agregaron elementos de la biblioteca de isótopos del manual del espectrómetro RS-220. Modificado de (1), p. 16. Los radionúclidos de aplicación médica son de vida usualmente corta, y los radionúclidos Ra-226 y Th-232, por ser usados comúnmente en medidores industriales, se integran también a dicha clasificación.
Los algoritmos pueden estar adaptados a factores como distancia entre la fuente y
el detector, los materiales que cubren la fuente o es decir; aquellos que se
interponen entre la fuente y el detector, el número de isótopos presentes o la
mezcla de ellos, el grado de estabilidad del instrumento e identificar la posibilidad
37
de fuentes de isótopos, con el fin de mejorar los resultados de la medición y definir
el procesamiento adecuado para la interpretación de los resultados.
2. Identificar los problemas que pueden afectar las mediciones
a) Un problema general en la identificación de radioisótopos, es la biblioteca
de isótopos. La biblioteca es construida por convención a partir de
mediciones con distintos instrumentos de centelleo sin embargo, varios
factores no son enteramente conocidos o proporcionados (como la
distancia entre la fuente y el detector, los materiales que cubren la fuente o
que se interponen entre la fuente y el detector, el número de isótopos
presentes y el grado de estabilidad del instrumento) y de esto depende
controlar y/o conocer la aplicación de los espectros de rayos gamma
obtenidos, ya que ciertas aplicaciones controlan sólo algunos isótopos
específicos para el reconocimiento de un número de isótopos en particular,
sin distinguir otros.
b) Los materiales que se interponen entre la muestra y el detector pueden
atenuar las cuentas y la energía que incide en el detector, y con ello
distorsionar la distribución de las alturas de los pulsos en los espectros.
c) La mezcla de isótopos, en particular debida a los materiales entre la fuente
y el detector, atenúan o amplía los picos.
d) La calibración del equipo establece la relación entre el voltaje obtenido de
las partículas cargadas (que surgen de las tres principales interacciones de
rayos gamma) y la energía, ya que un voltaje calibrado debe inferir la
energía del rayo gamma incidente. Dicha calibración puede afectarse por
un alto número de cuentas, lo que es denominado como “ganancia”, un
desplazamiento en la relación entre el voltaje y la energía.
e) La elevación de la temperatura impacta en la calibración del instrumento,
para ello se tienen protocolos que controlan la temperatura dentro de un
rango y permiten minimizar la ganancia. Lo mismo sucede con el
incremento de la distancia entre la fuente y el detector.
38
Un desempeño perfecto de los algoritmos en la identificación de radioisótopos, es
que todos los radioisótopos presentes en la fuente sean detectados sin incluir
aquellos isótopos que no estén en ella. Para ello, existe una constante evaluación
de los detectores y un intento por mejorar los algoritmos automatizados de cada
uno de los instrumentos bajo un consenso de expertos. Actualmente, se tienen
dos recomendaciones para la mejora de los algoritmos en la identificación de
isótopos radiactivos (Burr, 2009): la primera, es una variable de selección, la cual
se encarga de elegir un subconjunto de isótopos (de la biblioteca) que se cree
están presentes en la muestra y la segunda, un tratamiento que mitigue las
fuentes de ruido en la estrategia de discriminación de aquella selección.
El programa para recuperar y visualizar los datos en una computadora es el RS-
Analyst (suministrado por el fabricante), el cual contiene una base de datos donde
se almacenan los datos para su procesamiento. Consiste de un calendario donde
se ubican los datos según el día, mes y año en que son obtenidos por el
instrumento.
a) Precisión de los datos obtenidos.
El rango de energía de cada canal donde se reciben y almacenan los pulsos de
las radiaciones que inciden en el detector, es de 3 kilo electronvoltios (keV). Por
tanto, cada valor de energía tiene ±3 keV a su valor obtenido.
b) La confiabilidad del equipo
La confiabilidad de los resultados está en función de la estabilidad del
radioespectrómetro. Su sistema se mantiene en un modo operacional estable
independiente de la temperatura y demás factores que afectan la medición. Este
sistema de estabilización es totalmente automático. En principio, al encender y
comenzar la medición, el sistema va acumulando espectros internos y una vez que
se ha conseguido un nivel suficientemente alto, se lleva a cabo un análisis
complejo para determinar la posición correcta del espectro. El análisis resulta con
una medición de error que el mismo sistema utiliza para corregir sus efectos. Es
39
importante tener en cuenta que éste proceso es independiente del usuario. Ésta
estabilización automática toma alrededor de 5 a 10 minutos dependiendo de las
condiciones locales. El error estimado es de 1 Sigma en la curva que obedece a
una distribución estadística, en la cual es una buena estimación de la precisión de
los datos.
40
5. Medición y datos obtenidos de una muestra de mineral
radiactivo con el radioespectrómetro RS-125
El detector de NaI RS-125 identifica los isótopos radiactivos por medio del
algoritmo denominado método de la región de interés, los radioisótopos que
identifica son el Potasio (K-40), el Uranio (U-238) y el Torio (Th-232), así como
aquellos que pertenecen a su serie de desintegración radiactiva. La región de
interés para cada radioisótopo progenitor se representa en el instrumento como
ventanas de energías, las cuales son:
Ventanas de energía
Potasio (K) 1368 - 1569 keV
Uranio (U) 1659 - 1860 keV
Torio (Th) 2409 - 2808 keV
Tabla 11. Regiones de interés para la identificación de isótopos en el detector de NaI RS-125.
Estos valores se indican en la ficha de calibración del espectro de energía de
rayos gamma, en el programa RS-Analyst.
Los radioisótopos identificados pertenecen a la categoría de Materiales
radioactivos naturales (NORM, por sus siglas en inglés), cuyos elementos de la
familia de desintegración serán buscados en los espectros de rayos gamma.
Fue proporcionada una muestra de mineral radiactivo para su estudio, propiedad
del coordinador del Colegio de Ingeniería Geofísica el Ing. Isaac Raúl Soriano
Garibo.
La muestra de mano tiene una dimensión de 9cm×10cmx5cm aproximadamente.
41
Figura 5. Muestra de mano del mineral radiactivo.
Figura 6. Mineral radiactivo
Fueron realizadas tres mediciones: dos al mineral y otra sin la muestra, con el fin
de descartar los radioisótopos presentes en el medio ambiente o de trabajo donde
se efectuó la medición y no considerarlos como presentes en la muestra. Los
resultados de las dos primeras pruebas se muestran en la figura 6.
42
Las mediciones de la muestra se realizaron en las seis direcciones principales,
semejante a considerar las seis caras de un cubo. En cada dirección se midió a
una distancia cerca de la muestra, posteriormente a 30 cm, a 60 cm, 90 cm y por
último a 120 cm, con un minuto de duración en cada posición.
Figura 7. Ventana del software RSAnalyst, donde se muestran los resultados de las dos pruebas de medición realizadas con el mineral.
La gráfica superior representa las cuentas totales (número de fotones totales) que
inciden en el detector en tiempo real, así como las concentraciones de los
radioisótopos naturales que identifica el instrumento, que son el Potasio-40 (K40)
en porcentaje (%), el Uranio-238 (U238) y el Torio-232 (Th232) en partes por millón
(ppm). El equivalente de las partes por millón en porcentaje se obtiene:
10,000 %ppm
También muestra la dosis o tasa de exposición a los rayos gamma medidos, en
unidades de nano sieverts por hora (nSv/h). El gráfico inferior derecho representa
el espectro de rayos gamma, del cual se identificarán los radioisótopos que son
43
producto de la desintegración radiactiva de los radioisótopos progenitores (K, U, y
Th) y aquellos radioisótopos contaminantes que están dentro del rango de 3 a
3000 keV.
La primer medición de la muestra abarca un tiempo de conteo de 3840 segundos
para el espectro 1, la segunda medición abarcó 2982 segundos para el espectro 2
y la tercer de medición realizada sin la muestra o background (radiación de fondo)
fue de 3892 segundos en el espectro 3. Cada altura de pico en el espectro de
energía corresponde al número de pulsos recibidos con ése valor de energía.
El espectro 1 de rayos gamma de la primer medición se muestra en la Figura 8,
mientras que el espectro 2 de la segunda medición, es mostrado en la Figura 9.
Figura 8. Espectro 1 de energías de rayos gamma obtenido de la primer medición de la radiación a la muestra de mineral radiactivo.
Figura 9. Espectro 2 de la segunda medición de rayos gamma de la muestra de mineral.
A continuación, se muestra la ventana de medición de la radiación de fondo (sin la
muestra del mineral).
44
Figura 10. Ventana de los datos obtenidos de la medición de radiación de fondo.
De igual manera, se muestra el espectro 3 de energías de rayos gamma de la
medición de radiación de fondo, medición realizada sin la muestra de mineral.
Figura 11. Espectro 3 de energías de rayos gamma de la medición de radiación de fondo.
Al graficar el número de canales con los valores de energía obtenidos en las tres
pruebas, se verifica la calibración de la energía del instrumento durante la
medición.
45
Figura 12. Gráfica de la calibración de la energía. Cada punto corresponde a los picos seleccionados del espectro 1 de energías de rayos gamma de la primera medición.
La gráfica de calibración de la energía elaborada con los picos del espectro 1 tiene
un comportamiento lineal, cuyo valor de la pendiente es igual a 3. Ésta misma
gráfica se obtiene con las mediciones de los espectros 2 y 3.La calibración de
energía del equipo es interna, y esto nos permite verificar la óptima calibración del
equipo durante las mediciones.
Usando la tabla 7 que muestra la conversión de unidades de radiación principales,
se muestran los valores de dosis máxima y promedio de ambas radiaciones
medidas con la muestra y con la radiación de fondo.
Dosis Exposición Dosis de absorción Dosis efectiva equivalente
0.000022322 Gy/h 0.000022322 Sv/h 48.0369 mSv/año
0.0022322 rad/h 0.0022322 rem/h 4803.69 mrem/año
0.000002104 Gy/h 0.000002104 Sv/h 4.52781 mSv/año
0.0002104 rad/h 0.0002104 rem/h 452.781 mrem/año
0.000022983 Gy/h 0.000022983 Sv/h 49.4594 mSv/año
0.0022983 rad/h 0.0022983 rem/h 4945.94 mrem/año
0.000002334 Gy/h 0.000002334 Sv/h 5.02277 mSv/año
0.0002334 rad/h 0.0002334 rem/h 502.277 mrem/año
0.000012554 Gy/h 0.000012554 Sv/h 27.0162 mSv/año
0.0012554 rad/h 0.0012554 rem/h 2701.62 mrem/año
0.000011333 Gy/h 0.000011333 Sv/h 24.3886 mSv/año
0.0011333 rad/h 0.0011333 rem/h 2438.86 mrem/año
0.00262064
0.00026614
0.00143147
0.00129225
R/h
R/h
R/h
R/h
R/h
R/h
0.00254527
0.00023991
Primer
medición
de la
muestra
Segunda
medición
de la
muestra
Medición de
la radiación
de fondo
Máxima
Promedio
Promedio
Máxima
Promedio
Máxima
Tabla 11. Unidades de la radiación registrada en roentgen, gray, rad, sievert y rem.
y = 3xR² = 1
0
200
400
600
800
0 50 100 150 200 250
Energ
ía (
keV
)
Número de canales
Calibración de energía (espectro I)
46
Con respecto a las concentraciones en porcentaje del K-40, U-238 y Th-232, en la
tabla siguiente se muestran los rangos de concentración obtenidos en porcentaje
(%) y en partes por millón (ppm) en ambas mediciones de la muestra.
RANGO
MEDICIÓN 1 K(%) 0 15.8
U(ppm) 1.6 3257.3
Th(ppm) 0 204.6
MEDICIÓN 2 K(%) 0 8.6
U(ppm) 2.4 3400.5
Th(ppm) 1.5 183.1 Tabla 12. Rango de las concentraciones de K-40 (en porcentaje), U-238 y Th-232 (en partes
por millón).
A continuación se muestran las gráficas por separado de los radioisótopos
naturales progenitores son: el Potasio-40, el Uranio-238 y el Torio-232, así como
de las cuentas y dosis registradas en tiempo real.
Figura 13. Gráfica de las concentraciones de potasio en porcentaje en las dos mediciones realizadas a la muestra, se colocan los valores máximos registrados en la primer y segunda
medición de radiación respectivamente.
Figura 14. Gráfica de las concentraciones de Uranio en partes por millón (ppm) en la muestra de mineral, donde se indican los valores máximos obtenidos de la primer y
segunda medición.
47
Figura 15. Gráfica de concentraciones Torio en partes por millón (ppm) de la primer y segunda medición de la radiación en el mineral.
Figura 16. Cuentas totales donde se muestran las los máximos de radiactividad en ambas medidas realizadas a la muestra de mineral.
Figura 17. Dosis en unidades de nSv/h, obtenidas de la medición de la muestra de mineral.
De igual manera, se muestran las gráficas por separado de los datos obtenidos en
la medición de la radiación de fondo: los radioisótopos naturales progenitores
identificados por el instrumento, las cuentas y dosis registradas en tiempo real.
Figura 18. Gráfica de la concentración de potasio en porcentaje (%) de la radiación de fondo. Su valor máximo se indica en la parte superior derecha.
48
Figura 19. Concentración de Uranio en partes por millón (ppm) de la radiación de fondo.
Figura 20. Concentración de torio en partes por millón (ppm) de la radiación de fondo.
Figura 21. Cuentas totales por segundo en registradas en la radiación de fondo.
Figura 22. Gráfica de las dosis obtenidas a la exposición de radiación de fondo medida en unidades de nano sieverts por hora (nSv/hr).
49
6. Discusión de los datos del mineral radiactivo
Cada radioisótopo emite una energía de rayos gamma característica, y ésta al ser
medida por el radioespectrómetro, dichos valores de energía se asocian a un
radioisótopo específico. Antes de proceder a éste paso, es preciso establecer una
escala que consiste en obtener la raíz cuadrada de cada valor de las cuentas y
dividir éstas por el valor máximo del conjunto de raíces cuadradas obtenidas. Lo
que resulta es colocar el gráfico en un intervalo de [0,1], lo que se muestra en la
Figura 23. Ésta escala permite identificar con mayor facilidad los picos que
coinciden en ambos espectros, dicha gráfica fue realizada en Excel, donde al
colocar el cursor sobre la línea de cada espectro, es posible leer el valor de
energía en ése punto, que es lo que nos interesa.
Los picos que más coinciden, y que incluso llegan a tener el mismo valor de
energía del pico, se enlistan en la Tabla 13. Los picos que más coinciden, se
indican mediante líneas verticales en la Figura 24.
A continuación, a cada uno de los picos identificados se asocia un radioisótopo
según el valor de energía, y son categorizados para distinguir si forman parte de
los elementos radiactivos naturales o forman parte de los radioisótopos que son
creados para su aplicación en la industria, medicina y demás actividades del
hombre. Las tablas para dicha asociación provienen de las referencias (1), (10),
(11) y (12).
50
Figura 23. Espectro de energías de rayos gamma 1 y 2, en el intervalo de [0,1].
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
36
75
114
153
192
231
270
309
348
387
426
465
504
543
582
621
660
699
738
777
816
855
894
933
972
101
1105
0108
9112
8116
7120
6124
5128
4132
3136
2140
1144
0147
9151
8155
7159
6163
5167
4171
3175
2179
1183
0186
9190
8194
7198
6202
5206
4210
3214
2218
1222
0225
9229
8233
7237
6241
5245
4249
3253
2257
1261
0264
9268
8272
7276
6280
5284
4288
3292
2296
1300
0303
9
Cu
en
tas
Energía (KeV)
Espectro 1 y 2 de energías de rayos gamma
Espectro 1
Espectro 2
51
Figura 24. Los picos que coinciden en ambos espectros de la medición del mineral, se indican con líneas verticales.
Pico Energía (KeV)
Radioisótopo Categoría Método de producción Vida media Espectro 1 Espectro 2
1 48 45 Pb-210 (47 KeV) Natural U-238 20.4-21 a
2 78 78 Ba-133 (81 KeV) Industrial Ba-132(n,Υ) 7.5 a
3 102 99 Gd-153 (98KeV) --- Gd-152(n,Υ) 200 d
4 189 192 Th-234 (191 KeV) Natural U-238 24.1 d
5 303 303 Ir-192 (296 KeV) Industrial Ir-191(n,Υ) 74 d
6 363 351 I-131(364 KeV) Médico U-235(n,f) 8 d
7 618 603 --- --- --- ---
8 1143 1131 --- --- --- ---
Tabla 12. Radioisótopos identificados en los espectros 1 y 2 de energía de rayos gamma del mineral.
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
140
79
118
157
196
235
274
313
352
391
430
469
508
547
586
625
664
703
742
781
820
859
898
937
976
101
5105
4109
3113
2117
1121
0124
9128
8132
7136
6140
5144
4148
3152
2156
1160
0163
9167
8171
7175
6179
5183
4187
3191
2195
1199
0202
9206
8210
7214
6218
5222
4226
3230
2234
1238
0241
9245
8249
7253
6257
5261
4265
3269
2273
1277
0280
9284
8288
7292
6296
5300
4304
3
Cu
en
tas
Energía (KeV)
Espectro 1 y 2 de energías de rayos gamma
Espectro 1Espectro 2Picos
52
Figura 25. La gráfica muestra tres espectros de rayos gamma, el espectro de la primer medición del mineral en color café, el espectro de la segunda medición del mismo; en color verde, y la medición del background en color azul, ésta última puede verse como la base de los picos obtenidos del mineral.
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
140
79
118
157
196
235
274
313
352
391
430
469
508
547
586
625
664
703
742
781
820
859
898
937
976
101
5105
4109
3113
2117
1121
0124
9128
8132
7136
6140
5144
4148
3152
2156
1160
0163
9167
8171
7175
6179
5183
4187
3191
2195
1199
0202
9206
8210
7214
6218
5222
4226
3230
2234
1238
0241
9245
8249
7253
6257
5261
4265
3269
2273
1277
0280
9284
8288
7292
6296
5300
4304
3
Cu
en
tas
Energía (KeV)
Espectro 1 y 2 del mineral radiactivo y de la Radiación de fondo
Espectro 1
Espectro 2
Espectro 3
Picos
53
Figura 26. Entre los elementos que pueden atribuirse al background es el Ba-133 (81 KeV), el Eu-155 (105 KeV) así como el Gd-153 (103KeV).
54
Es posible identificar los picos de mayor tamaño en cada espectro, sin embargo
existe mayor certeza de que un elemento pertenezca a una sustancia, cuando
mayor son las veces en que son detectados dichos elementos en cada medición.
De manera que, el valor de energía entre cada pico que coincide en ambas
mediciones de la muestra no supera una diferencia de 3 KeV (el cual se encuentra
dentro de la precisión de los datos obtenidos en cada canal del espectro). Con
esto podemos inferir que los radioisótopos presentes en la muestra de mineral son
el Pb-210 y el Th-234, los cuales son resultado de la desintegración del U-238,
esto que nos indica que nuestra muestra se trata de un mineral de Uranio, el cual
puede ser una Uraninita debido a su contenido de Uranio y de tierras raras, o de
una Gumita, el cual es resultado de la alteración de la Uraninita.
Respecto a las dosis emitidas del mineral mostradas en la tabla, la dosis
equivalente anual (considerando una exposición a la radiación de la muestra de 8
horas diarias de lunes a viernes, durante todo año), tiene un valor máximo de
65.18 mSv/año y un valor promedio de 6.14 mSv/año. El primer valor se encuentra
al límite de la dosis equivalente anual máxima permitida para un personal
ocupacionalmente expuesto, que corresponde al valor de 50mSv/año (valor de
dosis límite establecido en el Artículo 20 del Reglamento General de Seguridad
Radiológica de 1988, de la Comisión Nacional de Seguridad Nuclear y
Salvaguardias). Mientras que el valor promedio de 4.52 mSv/año, se encuentra en
la dosis equivalente anual límite para individuos del público o personas no
ocupacionalmente expuestas, que corresponde a 5mSv/año.
En cuanto al rango de concentraciones obtenidas del mineral mostradas en la
Tabla 12, indica que la muestra proviene de una concentración comercial de
mineral de Uranio, con un rango de concentraciones posibles entre 0.1% a 0.3%.
55
7. Conclusiones y recomendaciones
El instrumento cumple de manera óptima la identificación de radioisótopos y
la confiabilidad en los datos proporcionados por el equipo, mientras se
encuentre estabilizado.
La identificación de radioisótopos naturales nos proporciona indicios de la
naturaleza del mineral radiactivo, de acuerdo a los radioisótopos naturales
hallados en la muestra, el cual puede pertenecer a los minerales radiactivos
de Potasio, Uranio o Torio.
Los valores de dosis emitidas del mineral indican un riesgo ante su elevada
emisión de radiación hacia una persona ocupacionalmente expuesta y más
aún para el público, por lo que es necesario llevar a cabo una protección
ante el manejo del mismo, usar guantes y cubre bocas durante su uso para
evitar la inhalación de las partículas radiactivas y resguardarlo dentro de un
contenedor suficientemente denso como un envase de vidrio grueso o de
una cubierta de plomo para evitar la propagación de su radiación. Al
culminar el uso del mineral, designar un lugar para dejar la bata y lavarse
bien las manos, todo con el objetivo de evitar la dispersión de partículas
radiactivas.
El radioespectrómetro RS-125 puede emplearse en el monitoreo ambiental
mediante la evaluación de las dosis de radiación al detectar y medir la
radiación, así como permite conocer las fuentes radiactivas a partir de la
identificación de radioisótopos en los espectros de energías de rayos
gamma.
56
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57
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