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Tema 1. INTRODUCCIÓN A LAS
RADIACIONES IONIZANTES. NATURALEZA Y
TIPOS DE RADIACIÓN. INTERACCIÓN DE LA
RADIACIÓN CON LA MATERIA
IR-OP-BA-PW1-1
© CSN - 2012
INDICE
 INTRODUCCIÓN A LAS RADIACIONES IONIZANTES
 NATURALEZA Y TIPOS DE RADIACIÓN.
 Estructura atómica y nuclear
 Radiación electromagnética
 Radiactividad y reacciones nucleares
 INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN IONIZANTE CON LA
MATERIA
 Interacción de partículas cargadas con la materia
 Interacciona de fotones con la materia
 Interacción de neutrones con la materia
IR-OP-BA-PW1-2
© CSN - 2012
INTRODUCCIÓN A LAS RADIACIONES
IONIZANTES
DESCUBRIMIENT
O
RADIACTIVIDAD
LOS RAYOS X
1895
WILHELM K.
RÖENTGEN
alrededor
de 1895, y la
radiografía de la
mano de su esposa mostrando el anillo de
boda
IR-OP-BA-PW1-3
1896
HENRY BECQUEREL, en 1896,
descubre la radiactividad natural (un
mineral de Uranio emite una radiación
similar a los rayos X)
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RADIACTIVIDAD NATURAL Y ARTIFICIAL
ESPOSOS
CURIE
aportan grandes
conocimientos;
separan radio y
polonio.
Premio Nobel
1903
IR-OP-BA-PW1-4
RUTHERFORD JOLIOT-CURIE
ENRICO FERMI
descubre la
1934, descubren
Desde 1934
naturaleza nuclear
radiactividad
investiga la
de la radiactividad y
artificial
radiactividad
sus emisiones: a, b
bombardeando
artificial.
y g (1899).
átomos con
Premio Nobel 1938
Transforma los
partículas a.
elementos químicos Premio Nobel 1935
Premio Nobel 1908
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LA RADIACIÓN IONIZANTE ES
LA RADIACIÓN
NATURAL
¡¡¡UNA FUERZA DE LA NATURALEZA!!!
IR-OP-BA-PW1-5
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¡¡EL DESCUBRIMIENTO DE LA RADIACTIVIDAD
MODIFICA EL CONCEPTO DEL MUNDO, DESDE EL
ÁTOMO HASTA EL UNIVERSO!!
• El átomo está formado por partículas
• Se pueden transformar unos átomos en otros
• Del núcleo atómico se puede extraer una gran cantidad de energía
• Las radiaciones ionizantes tienen unas propiedades particulares que
pueden ser utilizadas para obtener beneficios: medicina, agricultura,
industria, centrales nucleares, armas...
IR-OP-BA-PW1-6
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NATURALEZA Y TIPOS DE RADIACIÓN
LA RADIACIÓN IONIZANTE:
radiación que deposita energía en el medio
provocando ionizaciones en los átomos del medio
La radiación ionizante es capaz de arrancar
electrones a los átomos.
¿CÓMO SON
LOS ÁTOMOS?
IR-OP-BA-PW1-7
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LA RADIACIÓN IONIZANTE: radiación que deposita energía
en el medio provocando ionizaciones en los átomos del medio.
La radiación ionizante es capaz de arrancar electrones a los átomos.
EL ÁTOMO
EL NÚCLEO
NEUTRÓN (0)
PROTÓN (+) : Z = nº protones;
define el átomo
En el núcleo se concentra prácticamente toda la masa del átomo.
CORTEZA ELECTRÓNICA:
ELECTRÓN (-)
El electrón, 1836 veces más ligero que el protón o el neutrón, se
encuentra alrededor del átomo en niveles de energía estacionarios.
En condiciones normales el átomo es eléctricamente neutro (nº
protones=nº electrones) y los electrones están en los niveles
energéticos posibles de menor energía.
El átomo es la cantidad más pequeña de
un elemento que conserva sus
propiedades químicas.
A
Z
IR-OP-BA-PW1-8
X
¡¡IONIZACIÓN!! Proceso mediante el cual el
átomo pierde electrones, adquiriendo carga
eléctrica.
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EL ÁTOMO:
A
Z
X
•NÚMERO ATÓMICO
Z = NÚMERO DE PROTONES: define el
átomo
Ejemplo: Carbono: Z=6
•NÚMERO MÁSICO
A = NÚMERO DE PROTONES + NEUTRONES: Define la masa del
átomo
Ejemplo: Carbono: A=12
CARBONO
IR-OP-BA-PW1-9
12
6
C
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EL ÁTOMO: LA TABLA PERIÓDICA
IR-OP-BA-PW1-10
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EL ÁTOMO: NÚCLEO
ESTABILIDAD NUCLEAR:
Compensación:
* FUERZAS REPULSIÓN ++ (protones)
* FUERZAS NUCLEARES DE ATRACCIÓN
Los nucleones pueden existir en diversos estados de energía muy definidos.
El estado que corresponde al nivel de energía más bajo es el estado
fundamental
NÚCLEO INESTABLE: emite partículas o radiación para
alcanzar la estabilidad: RADIACTIVIDAD.
Depende: nº de nucleones y su estado de energía
IR-OP-BA-PW1-11
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EL ÁTOMO: NÚCLEO
ENERGÍA DE ENLACE NUCLEAR:
La masa del núcleo atómico es menor que la suma de las masas de sus
componentes (protones + neutrones): defecto másico o energía de amarre
Energía necesaria para romper un núcleo en sus componentes
separadamente ( Z protones y N neutrones):
¡¡La diferencia de masa se transforma en energía!!
Ej: Deuterio 2H
Masa núcleo: 2,014102 u.a.m.
Masaprotón: 1,007277 u.a.m.;
Masaneutrón: 1,008665 u.a.m.
IR-OP-BA-PW1-12
E = mc2
Masa núcelo – (Masaprotón + Masa neutrón) =
2,014102 - 2,016491 u.a.m. = - 0,002389 u.a.m. = 2,23 MeV
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EL ÁTOMO: ISÓTOPOS
CARBONO: Z=6; A=12
CARBONO: Z=6; A=14
ISÓTOPOS son aquellos átomos que perteneciendo al mismo elemento
(igual número atómico) tienen distinto nº de neutrones (diferente masa).
IR-OP-BA-PW1-13
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EL ÁTOMO: CORTEZA
ELECTRÓNICA
E4
E4
E2
E1
E3
EXCITACIÓN: Absorción de energía
E
1
-E
=h
4

E2
E1
E3
DESEXCITACIÓN: Emisión de energía
E
4
-E
1
=h

Átomo excitado: el electrón está en niveles energéticos superiores
El átomo se desexcitará -un electrón de un nivel energético superior pasa a
ocupar la vacante en el nivel energético inferior- emitiendo un fotón de
energía igual a la diferencia de energía de los niveles inicial y final.
IR-OP-BA-PW1-14
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EL ÁTOMO: CORTEZA
ELECTRÓNICA
+
E4
E1
E2
E3
IONIZACIÓN: ÁTOMO IONIZADO
Átomo ionizado: un electrón adquiere energía suficiente (potencial de
ionización) y se escapa del átomo. El átomo queda cargado positivamente.
IR-OP-BA-PW1-15
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UNIDADES EN FÍSICA ATÓMICA
MASA
Neutrón
~ 1,008 u.m.a. =
1,675 · 10 -27 kg
Protón
~ 1,007 u.m.a. =
1,673 · 10 -27 kg
Electrón
1/1836 u.m.a. =
9,11 · 10 -31 kg
DIMENSIONES
Átomos
10-10 m
Núcleo
10-15 m
Mili = 10-3
Micro = 10-6
Nano = 10-9
Pico = 10-12
Fermi = 10-15
1 u.m.a. = Unidad atómica de masa= 1/12 átomo 12C (Carbono con 6 p + 6 n)
Energía
Electronvoltio
eV
Kilo = 103
Kiloelectronvoltio
KeV
1000 eV = 103 eV
Mega = 106
Megaelectronvoltio
MeV
1000000 eV = 106 eV
Giga = 109
Gigaelectrovoltio
GeV
1000000000 eV = 109 eV
1 eV = energía cinética que adquiere un e, inicialmente en reposo, cuando se le
somete a una diferencia de potencial de 1 voltio.
IR-OP-BA-PW1-16
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RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA:
La RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA es un transporte de energía a través
del espacio que puede ser interpretar de dos maneras (naturaleza dual):
1) como una ONDA combinación de un campo eléctrico y otro magnético
2) como pequeños paquetes (FOTONES) de energía, sin soporte material
A mayor energía de los fotones mayor frecuencia de la onda. Viajan a la velocidad de la
luzÓrdenes de magnitud de la energía
que transportan los fotones:
Microondas: 0,0001-0,01 eV
Luz visible: 1 eV
Rayos X: 1.000-100.000 eV
Rayos gamma:10.000-1.000.000 eV
La radiación X y gamma posee suficiente energía como para “arrancar”
electrones a los átomos del medio de forma significativa: radiaciones
ionizantes
IR-OP-BA-PW1-17
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LA RADIACIÓN
ELECTROMAGNÉTICA
Dos campos: eléctrico y magnético
y
l
* se engendran secuencialmente por inducción
* planos de propagación perpendiculares.
O
Z
E = h · =
h ·c
l
X
La velocidad de propagación en el vacío de tales ondas, c, es una constante
fundamental, cuyo valor es aproximadamente: c = 3 x 108 m/s
IR-OP-BA-PW1-18
© CSN - 2012
LA RADIACIÓN
ELECTROMAGNÉTICA
fotones o cuantos de radiación
E = h · =
h ·c
l
La energía que transporta un fotón es proporcional a la
frecuencia de la onda asociada.
h = 6,626 · 10-34 J · s = 4,136 · 10-15 eV · s
IR-OP-BA-PW1-19
© CSN - 2012
ORIGEN DE LOS RAYOS X:
• Cuando el átomo tiene exceso de energía, ésta se puede emitir por
los electrones de la corteza en forma de radiación electromagnética. En
ocasiones la energía emitida corresponde al espectro de los rayos X
(fotones de alta energía)
• Cuando los electrones que penetran en algún medio material se
frenan (éste es el fundamento de los equipos de rayos X).
FUNDAMENTO DE LOS EQUIPOS DE
RAYOS X
IR-OP-BA-PW1-20
© CSN - 2012
LA RADIACIÓN IONIZANTE PROVIENE
LA RADIACTIVIDAD: DE:
Radiación alfa, beta y gamma.
emisión de partículas o radiación
electromagnética de alta energía
debida a la inestabilidad de los
núcleos atómicos.
La radiación electromagnética de alta energía:
Rayos X y rayos gamma
IR-OP-BA-PW1-21
© CSN - 2012
RADIACTIVIDAD Y REACIONES NUCLEARE
Emisión espontánea de partículas o radiación por núcleos atómicos
inestables. >> el núcleo se transforma dando lugar a otro núcleo estable o
inestable.
UN NÚCLEO PUEDE SER INESTABLE POR:
desequilibrio entre sus
componentes
(PROTONES y NEUTRONES)
exceso de ENERGÍA
RADIACTIVIDAD NATURAL: propia de los cuerpos tal y como aparecen en
la naturaleza. Uranio (232U), Carbono-14 (14C), Potasio-40 (40K)
RADIACTIVIDAD ARTIFICIAL: núcleos que han alcanzado la inestabilidad
mediante el bombardeo con partículas
IR-OP-BA-PW1-22
© CSN - 2012
226
Ra
88
1602 años
a
222
Rn
86
3.823 dias
a
26.8 minutos
214
Pb
82
218
Po
84
a
a
214
Bi
83
bg
a
b
138.4 dias
210
Po
84
IR-OP-BA-PW1-23
2 segundos
bg
164 microseg.
214
Po
83
3.05 minutos
b
a
210
Pb
82
210
Bi
83
206
Po
82
19.7 minutos
b
bg
21 años
218
At
85
1.3 minutos
210
Tl
81
5.01 dias
4.19 minutos
a
Estable
b
206
Tl
81
© CSN - 2012
ACTIVIDAD:
nº de transformaciones nucleares por unidad de tiempo
(Bequerelio=Bq= nº transformaciones/s)
l= probabilidad de que un átomo se
desintegre por unidad de tiempo;
A=Nxl
N = nº átomos
Comportamiento exponencial
1
A = A0 e-(l.t)
Actividad relativa A/Ao
núcleo estable
núcleo inestable
0,5
núcleo inestable
transformándose
0
0
T
2T
3T
4T
5T
6T
Tiempo (en períodos)
IR-OP-BA-PW1-24
© CSN - 2012
PERIODO DE SEMIDESINTEGRACIÓN:
Ritmo de desintegración: tiempo que ha de transcurrir para que la
actividad de la muestra decaiga a la mitad
T1/2 = ln ( 2)/ l
A mayor l menor t1/2
A menor l mayor t1/2
t1/2
núcleo inestable
232Th(torio)
137Cs
60Co
(cesio)
(cobalto)
IR-OP-BA-PW1-25
t1/2
núcleo estable
T1/2 = 14.000 M. de años
T1/2 = 30,2 años
T1/2 = 5,26 años
222Rn
124In
(radón)
(indio)
T1/2 = 4 días
T1/2 = 3 segundos
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Las sustancias radiactivas se transforman en estables
CADA radionucleido SE CARACTERIZA POR
SU PERIODO DE SEMIDESINTEGRACION
El número inicial de átomos radiactivos
se reduce a la mitad a cada paso de un
tiempo T (período de semidesintegración)
T1/2 = ln ( 2)/ l
IR-OP-BA-PW1-26
© CSN - 2009
TIPOS DE DESINTEGRACIONES:
1) DESINTEGRACIÓN ALFA
a NÚCLEOS DE HELIO
POCO PENETRANTES: una hoja de papel o unos centímetros en aire la frenan
- Depositan toda su energía en un recorrido muy corto.
- Propias en la desintegración de núcleos pesados.
- Suelen ir acompañadas de desintegración gamma
235
U
241 Am
226 Ra
222 Rn
IR-OP-BA-PW1-27
(Uranio)
(Americio)
(Radio)
(Radón)
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TIPOS DE DESINTEGRACIONES:
2) DESINTEGRACIÓN BETA
b  ELECTRONES
b+ : POSITRONES
MÁS PENETRANTE: una lámina de aluminio o unos metros en aire la frenan
- Depositan su energía en un recorrido más largo.
- Se producen en núcleos con exceso de neutrones (b) o de protones (b +)
- Suelen ir acompañadas de desintegración gamma
137Cs
60 Co
14C
32
P
3 H
22Na
11C
15O
13N
IR-OP-BA-PW1-28
(Cesio)
(Cobalto)
(Carbono)
(Fósforo)
(Tritio)
(Sodio)
(Carbono)
(Oxígeno)
(Nitrógeno)
© CSN - 2012
TIPOS DE DESINTEGRACIONES:
ENERGÍA
3) DESINTEGRACIÓN GAMMA:
(ondas electromagnéticas)
MUY PENETRANTE : requiere materiales densos y pesados (una lámina
de plomo, hormigón, etc.) para ser absorbidos.
Un núcleo con un exceso de energía puede de forma espontánea emitir radiación g.
137
60
Cs (Cesio) – (b -)  Ba-137
Co (Cobalto) – (b -) Ni –60
99m Tc
IR-OP-BA-PW1-29
(Tecnecio)
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REACCIÓN NUCLEAR
Bombardeo nuclear con partículas o fotones de alta energía.
El núcleo resultante puede ser inestable:
¡RADIACTIVIDAD ARTIFICIAL!
B( p, p´)X
BLANCO (proyectil, partícula o fotón desprendido) NÚCLEO RESIDUAL
 ¡Transmutación de la materia!
 ¡Obtención de gran cantidad de energía!
IR-OP-BA-PW1-30
© CSN - 2012
REACCIÓN NUCLEAR
REACCIONES DE DISPERSIÓN: El proyectil se dispersa. No hay
núcleo compuesto
* Colisión mecánica elástica: no hay alteración nuclear
* Colisión inelástica: núcleo excitado
CAPTURA RADIATIVA: El núcleo compuesto emite radiación gamma (1
fotón o cascada de fotones)
113Cd (n, γ) 114Cd
EMISIÓN DE PARTÍCULAS: El núcleo compuesto emite partículas
(Típica de núcleos ligeros. En núcleos pesados hay una barrera
coulombiana mayor)
6Li(n,a)3H
14N(n,p)14C
FOTODESINTEGRACIÓN: El proyectil es un fotón
IR-OP-BA-PW1-31
© CSN - 2012
REACCIÓN NUCLEAR
FISIÓN:
El núcleo compuesto se escinde en varios fragmentos asimétricos
emitiendo neutrones
Ej.: 235 U bombardeado con un neutrón; en su fragmentación emite otros neutrones
Fermi fue el primero en conseguir una reacción en cadena en un
reactor nuclear. Universidad de Chicago, 1942
FUSIÓN:
IR-OP-BA-PW1-32
Varios núcleos ligeros se unen para formar otro más pesado
© CSN - 2012
RADIACIONES
IONIZANTES
IR-OP-BA-PW1-33
© CSN - 2012
INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN
IONIZANTE CON LA MATERIA
DEPENDE:

PARTÍCULA/FOTÓN (masa, carga, energía) y
1) Partículas cargadas
2) Partículas (con masa) sin carga
3) Fotones (energía sin soporte material)

MEDIO de interacción
(densidad, componentes, estado físico)
IR-OP-BA-PW1-34
© CSN - 2012
INTERACCIÓN DE PARTÍCULAS CARGADAS
CON LA MATERIA
¡INTERACCIÓN COULOMBIANA!
TIPOS DE COLISIÓN:
 COLISIÓN ELÁSTICA
(sin alteración atómica ni nuclear)
 COLISIÓN INELÁSTICA
(provoca ionización y excitación)
 COLISIÓN RADIATIVA
(emisión de radiación electromagnética)
IR-OP-BA-PW1-35
© CSN - 2012
INTERACCIÓN DE PARTÍCULAS CON LA
MATERIA
1. COLISIÓN ELÁSTICA:
No se produce alteración atómica ni nuclear.
Se conserva la cantidad de movimiento y la energía.
IR-OP-BA-PW1-36
© CSN - 2012
INTERACCIÓN DE PARTÍCULAS CON LA
MATERIA
2. COLISIÓN INELÁSTICA:
La partícula choca con el átomo provocando:
1
1
2
1
1
2
2
2
EXCITACIÓN
IR-OP-BA-PW1-37
IONIZACIÓN
© CSN - 2012
INTERACCIÓN DE PARTÍCULAS CON LA
MATERIA
3. COLISIÓN RADIATIVA:
RADIACIÓN
ELECTROMAGNÉTICA
La partícula se frena ante las proximidades de un núcleo atómico y emite
radiación
IR-OP-BA-PW1-38
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INTERACCIÓN DE PARTÍCULAS CON LA
MATERIA
PODER DE FRENADO : Energía que pierde una partícula
determinada en un medio dado por unidad de longitud recorrida: S(E) = dE/dx
ALCANCE
ALCANCE: Recorrido total de una partícula determinada en un medio
dado, supuesta la trayectoria rectilínea.
IR-OP-BA-PW1-39
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INTERACCIÓN DE FOTONES CON LA
MATERIAx = longitud recorrida
ATENUACIÓN: N = N0 e
-m x
m = Coeficiente de atenuación lineal=
probabilidad de interacción por
unidad de recorrido
Fórmula válida si:
NO
N
• Fotones
monoenergéticos
• Haz colimado
• Absorbente delgado
Cuando la radiación electromagnética (Rayos X ó γ ) penetra en un medio
natural disminuye el número de fotones por unidad de recorrido (ATENUACIÓN)
debido a dispersiones y absorciones.
IR-OP-BA-PW1-40
© CSN - 2012
INTERACCIÓN DE FOTONES CON LA
MATERIA
COEFICIENTE DE ATENUACIÓN
MÁSICO: m = m/r (cm 2/g)
m
Ley de atenuación: N = N0 e -mmxm ; donde xm= xr
ESPESOR DE
SEMIRREDUCCIÓN:
Grosor del material que consigue
atenuar el haz (monoenergético)
a la mitad:
d1/2= Ln (2) / m = 0.693/ m
d1/2
IR-OP-BA-PW1-41
© CSN - 2012
INTERACCIÓN DE FOTONES CON LA
MATERIA
1. EFECTO FOTOELÉCTRICO :
•El fotón interacciona con un
electrón de las capas más
cercanas al núcleo, cediéndole
toda su energía.
+
•El electrón, si la energía es
suficiente, se escapa del átomo.
•El átomo queda ionizado. Un
electrón de las capas más
alejadas
ocupa
su
lugar
emitiendo
radiación
electromagnética
EFECTO DOMINANTE A ENERGÍAS BAJAS (E < 100
keV)
IR-OP-BA-PW1-42
© CSN - 2012
INTERACCIÓN DE FOTONES CON LA
MATERIA
2. EFECTO COMPTON :
+
•El fotón interacciona con un
electrón poco ligado, cediéndole
parte de su energía.
•El electrón se escapa del átomo.
•El átomo queda ionizado.
EFECTO DOMINANTE A ENERGÍAS INTERMEDIAS
(100<E<1.000 kev)
IR-OP-BA-PW1-43
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INTERACCIÓN DE FOTONES CON LA
MATERIA
3. CREACIÓN DE PARES :
•El fotón, si su energía es superior a
1.022 keV, y en presencia de un
núcleo atómico, se materializa en un
electrón y un positrón.
•El electrón
medio.
+
-
interacciona
en
el
•El positrón se aniquila con un
electrón, emitiendo dos fotones de
511 keV cada uno.
EFECTO DOMINANTE A ENERGÍAS ALTAS ( E>1.022 keV
)
IR-OP-BA-PW1-44
© CSN - 2012
INTERACCIÓN DE FOTONES CON LA
MATERIA
m = Coeficiente de atenuación lineal= Probabilidad
de que un fotón sufra una interacción en el medio
Coeficiente
de
atenuación
Aumenta
Energía fotón
Aumenta Z
del material
FOTOELÉCTRICO
DISMINUYE
(1/E3)
AUMENTA
Aumenta
Densidad
material
AUMENTA
(r)
COMPTON
DISMINUYE
(1/E)
PRÁCTICAMENTE NO
VARÍA
AUMENTA
(r)
CREACIÓN
DE PARES
AUMENTA
AUMENTA
AUMENTA
IR-OP-BA-PW1-45
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INTERACCIÓN DE PARTÍCULAS CON LA
MATERIA:
LOS NEUTRONES
Partículas sin carga -> ¡Gran penetración en la materia!
1. DISPERSIONES ELÁSTICAS CON LOS NÚCLEOS DEL MATERIAL:
Ej.: núcleos de hidrógeno-> protones de retroceso
Los neutrones van perdiendo energía -> la energía cinética media de los átomos o moléculas
del medio
Neutrones de baja energía: neutrones térmicos
2. DISPERSIONES INELÁSTICAS:
El núcleo, después del choque, queda en estado excitado -> emisión, en general, de un fotón
gamma
3. ABSORCIÓN DEL NEUTRÓN POR UN NÚCLEO DEL MATERIAL:
Reacciones nucleares ( captura radiativa, emisión de partículas o fisión):
6Li
(n, α) 3He ;
27Al (n, p) 27Mg ;
IR-OP-BA-PW1-46
10B
(n, α) 7Li ;
113Cd (n, γ) 114Cd
© CSN - 2012