Estructura del Átomo

El átomo está compuesto por un núcleo central y una zona periférica o corteza electrónica.

Componentes del Átomo

• Electrón (e⁻): Partícula con carga negativa, ubicada en la corteza.
• Protón (p⁺): Partícula con carga positiva, ubicada en el núcleo.
• Neutrón (n⁰): Partícula sin carga eléctrica, ubicada en el núcleo.

Características de las Zonas Atómicas

Núcleo

• Concentra casi la totalidad de la masa del átomo.
• Posee carga eléctrica positiva.
• Tiene un radio aproximado de 10^-14 m.

Corteza Electrónica

• Tiene una masa casi despreciable en comparación con el núcleo.
• Posee carga eléctrica negativa.
• Define el tamaño del átomo, con un radio aproximado de 10^-10 m.

Un átomo en su estado fundamental es eléctricamente neutro, ya que tiene el mismo número de protones y electrones.

Modelos Atómicos

(Nota: El documento original menciona este título pero no desarrolla modelos específicos).

Energía de Ligado de Electrones

Corresponde a la energía mínima necesaria para expulsar un electrón (e⁻) del átomo, es decir, para desplazarlo de la capa u orbital en el que se encuentra. Este concepto está directamente relacionado con la Energía de Ionización.

Nomenclatura Atómica

• Número Másico (A): Representa la suma total de protones (p⁺) y neutrones (n⁰) presentes en el núcleo del átomo.
• Número Atómico (Z): Indica el número de protones (p⁺) que posee el núcleo. Este número define al elemento químico.
• Elemento (X): Es el símbolo químico que representa al elemento en la tabla periódica. Se suele representar como ^A_ZX.

Recordatorio: El número de protones y electrones es igual en un átomo eléctricamente neutro.

Radiactividad

La radiactividad es la emisión espontánea de partículas (como partículas alfa α, partículas beta β, neutrones) o radiaciones electromagnéticas (rayos gamma γ, captura K), o de ambas simultáneamente. Este fenómeno procede de la desintegración de nucleidos inestables, causada por un reajuste en su estructura interna para alcanzar una configuración más estable.

La desintegración radiactiva ocurre en núcleos atómicos que no tienen suficiente energía de enlace para mantenerse unidos, generalmente debido a un exceso de protones o neutrones. La radiactividad puede ser de origen natural o artificial (inducida).

Decaimiento Radiactivo

Es el proceso espontáneo mediante el cual un núcleo atómico inestable se transforma en otro núcleo, emitiendo radiación en el proceso.

• El resultado incluye la emisión de radiación (electromagnética o corpuscular), la formación de un nuevo núcleo (que puede ser estable o seguir siendo inestable) y la liberación de energía (energía de decaimiento).
• La probabilidad y velocidad de este proceso son características de cada isótopo radiactivo.
• Ocurre en núcleos donde la proporción entre el número de protones y neutrones no es energéticamente óptima.
• Se produce cuando la interacción nuclear fuerte no es suficiente para mantener unido al núcleo bajo esas condiciones de inestabilidad.

Tipos de Desintegración

Desintegración Alfa (α)

• El núcleo radiactivo emite una partícula alfa, que es un núcleo de Helio (⁴₂He), compuesto por dos protones y dos neutrones.
• El número atómico (Z) del núcleo original disminuye en dos unidades (Z → Z-2).
• El número másico (A) disminuye en cuatro unidades (A → A-4).
• Se produce un nuevo elemento químico, situado dos posiciones antes en la Tabla Periódica.

Desintegración Beta (β⁻)

• El núcleo del elemento radiactivo emite un electrón (e⁻). Este electrón se origina por la conversión de un neutrón en un protón dentro del núcleo (n⁰ → p⁺ + e⁻ + ν̅ₑ, donde ν̅ₑ es un antineutrino electrónico).
• El número atómico (Z) aumenta en una unidad (Z → Z+1).
• El número másico (A) no se altera.
• El nuevo elemento producido se encuentra una posición después en la Tabla Periódica.

Desintegración Gamma (γ)

• El núcleo radiactivo emite un fotón de alta energía (rayo gamma).
• El número atómico (Z) no cambia.
• El número másico (A) no cambia.
• Este proceso generalmente ocurre después de una desintegración alfa o beta, cuando el núcleo resultante queda en un estado excitado. La emisión gamma permite al núcleo pasar a un estado de menor energía (más estable) mediante un reajuste de los niveles de energía ocupados por los nucleones.

Rayos X vs. Rayos Gamma

Aunque ambos son fotones de alta energía (radiación electromagnética), su origen es diferente:

Rayos X

• Provienen de la corteza electrónica del átomo.
• Se generan por el movimiento de electrones desde capas de mayor energía a menor energía (transiciones electrónicas).
• Son fotones de energía (onda electromagnética) con componente eléctrico y magnético.

Rayos Gamma (γ)

• Provienen del núcleo del átomo.
• Se generan por el movimiento de nucleones (protones o neutrones) desde niveles de mayor energía a menor energía dentro del núcleo (transiciones nucleares).
• Son fotones de energía (onda electromagnética) con componente eléctrico y magnético.

Importante: Las propiedades físicas de los Rayos X y los Rayos Gamma de la misma energía son idénticas. Solo se diferencian en su origen.

Ley de Desintegración Radiactiva

Describe cómo el número de núcleos radiactivos en una muestra disminuye con el tiempo.

La ecuación general de desintegración es: N(t) = N₀ * e^-λt

• N(t): Número de núcleos radiactivos que quedan sin desintegrar en el tiempo t.
• N₀: Número de núcleos radiactivos iniciales (en t=0).
• λ: Constante de desintegración radiactiva, característica de cada isótopo. Indica la probabilidad de desintegración por unidad de tiempo. Su unidad en el S.I. es s^-1.
• t: Tiempo transcurrido.
• e: Base del logaritmo natural (aproximadamente 2.71828).

Periodo de Semidesintegración (T_1/2)

Es el tiempo necesario para que una población de nucleidos radiactivos se reduzca a la mitad de su número inicial. También se conoce como semivida o, a veces (aunque puede generar confusión), vida media.

Se relaciona con la constante de desintegración (λ) mediante la fórmula: T_1/2 = ln(2) / λ ≈ 0.693 / λ

Tiempo de Vida Media (τ)

(Nota: El texto original define esto de forma similar a T_1/2. Típicamente, la vida media τ es el tiempo promedio que un núcleo existe antes de desintegrarse, y τ = 1/λ = T_1/2 / ln(2)).

Según el texto original: El tiempo de vida media (τ o T_1/2) de un elemento radiactivo se define como el tiempo requerido para que, tanto la Actividad (A) como el Número de átomos (N), decaiga a la mitad de su valor inicial. Si t = τ (usando la definición del texto como T_1/2), entonces N(τ) = N₀ / 2.

Energías de las Radiaciones

La energía de las partículas o fotones emitidos durante la desintegración radiactiva es una característica importante que determina su poder de penetración e ionización.

Interacción de la Radiación Ionizante con la Materia

Cuando la radiación (partículas cargadas o fotones) atraviesa un material, interactúa con los átomos y moléculas de este, transfiriendo energía y causando ionización o excitación.

Interacción de Partículas Cargadas

Partículas Alfa (α), Protones (p⁺), Deuterones (d⁺)

• Son partículas relativamente grandes y con carga positiva.
• Debido a su masa y carga, interactúan intensamente con los electrones orbitales del material.
• Experimentan múltiples colisiones, capturando y perdiendo electrones a medida que se mueven.
• Pierden energía rápidamente (alto poder de frenado lineal, LET).
• Siguen trayectorias aproximadamente rectas.
• Tienen un rango (alcance) muy corto en la materia.

Partículas Beta (β⁻)

• Son electrones (o positrones, β⁺) emitidos desde el núcleo. Tienen carga negativa (β⁻) y masa mucho menor que las partículas alfa.
• Siguen trayectorias más erráticas debido a las colisiones y desviaciones.
• Pueden interactuar con los electrones orbitales (causando ionización y excitación) y también con los núcleos atómicos (especialmente si pasan cerca).
• La interacción con el campo eléctrico del núcleo puede causar una desaceleración brusca del electrón, generando radiación de frenado (Bremsstrahlung), que son fotones de rayos X. Esta pérdida de energía es significativa a altas energías del electrón y en materiales de alto número atómico (Z).
• Tienen un rango corto, pero mayor que el de las partículas alfa para la misma energía inicial.

Interacción de Fotones (Rayos X y Gamma)

Los fotones (sin carga ni masa en reposo) interactúan con la materia a través de varios mecanismos principales:

• Efecto Fotoeléctrico: El fotón transfiere toda su energía a un electrón ligado a un átomo, expulsándolo (fotoelectrón). Predomina a bajas energías del fotón y en materiales de alto Z.
• Efecto Compton: El fotón choca con un electrón (generalmente de las capas externas, considerado casi libre), cediéndole parte de su energía y siendo desviado con menor energía. Predomina a energías intermedias (típicas en radiodiagnóstico y radioterapia).
• Producción de Pares: Si el fotón tiene energía superior a 1.022 MeV (el doble de la masa en reposo del electrón), puede interactuar cerca de un núcleo y convertirse en un par electrón-positrón. Predomina a altas energías.

Factores que Influyen en la Interacción

La penetración e ionización ejercida por una radiación dependen principalmente de tres factores:

1. Energía inicial de la radiación: A mayor energía, generalmente mayor penetración (aunque la probabilidad de interacción puede variar).
2. Tipo de material atravesado: La densidad y el número atómico (Z) del material influyen significativamente en cómo interactúa la radiación.
3. Tipo de radiación: Partículas cargadas pesadas (α), partículas cargadas ligeras (β) y fotones (γ, X) interactúan de maneras muy diferentes.