Radiactividad Gamma

La radioactividad gamma está compuesta de rayos electromagnéticos. Se distingue de los rayos x solamente por el hecho de que provienen del núcleo. La mayoría de los rayos gamma son un poco más alto en energía que los rayos x, y por lo tanto son muy penetrantes. Es el tipo más útil de radiación para uso médico, pero al mismo tiempo es el más peligroso debido a su capacidad de penetrar en grandes espesores de material.

Otros Procesos Radiactivos

Aunque los tipos mas comunes de desintegración radiactiva son la radiaciones alfa, beta, y gamma, ocurren otras variedades de radioactividad:

Captura de electrones: un núcleo padre puede capturar a uno de sus propios electrones y emitir un neutrino. Esto se produce en el decaimiento potasio-argón.

Positrón o decaimiento beta positivo: La emisión de positrones se llama decaimiento beta porque las características del decaimiento de electrones o positrones son similares. Ambos muestran un espectro de energía característico debido a la emisión de un neutrino o antineutrino.

La conversión interna es el uso de la energía electromagnética del núcleo para expulsar un electrón orbital del átomo.

Captura de Electrones

La captura de electrones es una de las formas de radioactividad. Un núcleo padre puede capturar a uno de sus electrones orbitales y emitir un neutrino. Este es un proceso que compite con la emisión de positrones, y tiene el mismo efecto sobre el número atómico. Más comúnmente, se trata de un electrón de la capa K que es capturado, y por ello es referido como captura K. Este es un esquema que distorsiona enormemente la imagen en relación con un modelo a escala del átomo. Los radios de la órbita electrónica son decenas de miles de veces el diámetro del núcleo.

La captura del electrón por un protón en el núcleo se acompaña de la emisión de un neutrino. El proceso deja una vacante en el nivel de energía de los electrones de donde proviene el electrón, y esa vacante se llena por la caída de un electrón de nivel superior con la emisión de un rayo X, o por la expulsión de un electrón mas externo en un proceso llamado efecto Auger.

La captura de electrones es un proceso que involucra la interacción débil y puede representarse mediante un diagrama de Feynman.

En el rango medio de la tabla periódica, aquellos isótopos que son más ligeros que los isótopos más estables, tienden al decaimiento por captura de electrones, y los decaimientos más pesados, lo hacen por el decaimiento beta negativo. Un ejemplo de este patrón se ve con los isótopos de plata, que dan dos isótopos estables, más uno de menor masa que decae por captura de electrones, y uno de masa más pesada que decae por emisión beta.

Un ejemplo importante del decaimiento de captura de electrones es el del potasio-40, ya que forma la base para el proceso de datación de minerales llamado potasio-argón.

Conversión Interna

La conversión interna es otro proceso electromagnético que puede ocurrir en el núcleo y que compite con la emisión gamma. A veces, los campos eléctricos multipolares del núcleo, interactúan con los electrones orbitales, con energía suficiente para expulsarlos del átomo. Este proceso no es lo mismo que la emisión de un rayo gamma que golpea y extrae un electrón del átomo. Tampoco es lo mismo que el decaimiento beta, ya que el electrón emitido era previamente uno de los electrones orbitales, mientras que el electrón en la desintegración beta se produce por la desintegración de un neutrón.

Un ejemplo utilizado por Krane es el de ²⁰³Hg, que decae en ²⁰³Tl por emisión beta, dejando el ²⁰³Tl en un estado excitado electromagnéticamente. A continuación puede proseguir al estado fundamental, emitiendo un rayo gamma de 279,190 keV, o por conversión interna. En este caso, es más probable la conversión interna. Dado que el proceso de conversión interna, puede interactuar con cualquiera de los electrones orbitales, el resultado es un espectro de electrones de conversión interna, que se verán como superpuesto sobre el espectro de energía de los electrones de la emisión beta. El consumo energético de esta transición electromagnética, toma 279,190 keV, de modo que los electrones emitidos, tendrán esa energía menos su energía de unión en el átomo hijo ²⁰³Tl.

El diagrama anterior es, por supuesto, solo conceptual y no está a escala, ya que el radio nuclear del talio se modela para que sea aproximadamente 0,7x10^-14 m y el radio del átomo es aproximadamente 1,76x10^-10 m, un factor de aproximadamente ¡25.000 veces más grande!. Y, por supuesto, las órbitas planetarias de los electrones no son realistas, ya que las propiedades de onda de los electrones conducen a distribuciones de carga que dan una probabilidad finita de que el electrón K que se muestra arriba se extienda dentro del núcleo para que este pueda interactuar con él y entregar su exceso de energía. Un examen de la distribución de electrones para el átomo más simple, el hidrógeno, puede dar la perspectiva de que el electrón tiene una probabilidad pequeña pero finita de extenderse al núcleo. En la tabla de energías de enlace a continuación, puede ver que la energía de enlace del electrón de la capa K es superior a 85.000 electron-voltios en comparación con 13,6 eV para el electrón de hidrógeno, o más de 6.000 veces mayor.

Emisión de electrones en el decaimiento Hg-203 a Tl-203, medido por A. H. Wapstra, et al., Physica 20, 169 (1954).

A una resolución mas alta, se puede resolver la conversión interna de electrones de las capas L, M y N. Z. Sujkowski, Ark. Fys. 20, 243 (1961).

A una resolución aún mayor, se pueden resolver las tres capas L. De C. J. Herrlander y R. L. Graham, Nucl. Phys. 58, 544 (1964).

La resolución de la detección de electrones es lo suficientemente buena, que se pueden usar tales espectros de conversión interna de electrones, para estudiar las energías de enlace de los electrones en los átomos pesados. En este caso la energía de los electrones medidos, se debe restar de la energía de transición indicada en la emisión gamma, de 279,190 keV.

Energías de enlace para 203Tl K 85,529 keV LI 15,347 keV LII 14,698 keV LIII 12,657 keV M 3,704 keV

Además de la información que proviene de los electrones de conversión interna sobre las energías de enlace de los electrones en el átomo hijo, las intensidades relativas de estos picos de electrones de conversión interna, puede dar información sobre el carácter multipolar eléctrico del núcleo.

Descubrimiento de la Radioactividad

La radioactividad fué descubierta por A. H. Becquerel en 1896. La radiación fué clasificada por E. Rutherford, como rayos alfa, beta, y gamma, de acuerdo con su capacidad para penetrar la materia e ionizar el aire.