RADIACIÓN Y SUS EFECTOS EN LOS MATERIALES

RADIACIÓN Y SUS EFECTOS EN LOS MATERIALES

D. A. Muñoz

Facultad de Ciencias Físicas

E.A.P. Física

 Universidad Nacional Mayor de San Marcos

06 de noviembre de 2015

CONTENIDO

1.        Introducción        2

2.        Radiación.        2

2.1.1.        Dispersión Múltiple.        5

2.1.2.        Efecto Cherenkov.        7

2.1.4.        Información general de las interacciones electromagnéticas de partículas cargadas        12

2.2.        Interacción de los rayos X y los rayos gamma en la materia        13

2.2.1.        Efecto fotoeléctrico.        13

2.2.2.        Dispersión Compton.        15

2.2.3.        Producción de pares.        17

2.3.        Interacción de los Neutrones        18

3.        Daño por irradiación en reactores        18

3.1.        Teoría de daño por radiación        19

3.2.        Teoría de la cascada        23

4.        Efectos de la radiación neutrónica en las propiedades mecánicas        24

4.1.        Fragilización        24

4.2.        Hinchamiento        25

4.3.        Creep de irradiación        26

5.        Blindaje        26

5.1.        Blindaje para partículas cargadas        27

5.2.        Blindaje para radiación gamma y rayos X        27

5.3.        Blindaje para neutrones        27

6.        Bibliografía        28

1. Introducción

La radiación ionizante es aquella interactúa con los núcleos y los electrones de los átomos con una probabilidad de ocurrencia que depende del tipo de radiación, la energía involucrada y el tipo de medio con el cual va a interactuar.

Es importante conocer estas interacciones y sus efectos, de esta manera se pueden desarrollar las bases físicas para el estudio de efectos dañinos de la radiación. Dividiremos su estudio de la siguiente manera: interacción de partículas cargadas, interacción de los neutrones e interacción de los rayos gamma y rayos X.

El daño por irradiación no sólo preocupa en los materiales estructurales del reactor y en la deposición de residuos radiactivos, también es clave para el estudio de dosimetría, blindaje, etc.

1. Radiación.

Cuando las partículas interaccionan con la materia producen una serie de efectos como ya habiamos mencionado, que son función de:

• Tipo de partícula                
• Energía
• Medio con el cual se interactúa

1. Interacción de partículas cargadas

Cuando una partícula cargada penetra la materia interactúa con los electrones y el núcleo.

Las interacciones con los electrones y con los núcleos en la materia darán lugar a efectos muy diferentes.

Supongamos que la partícula cargada es un protón. Si el el proton choca con un núcleo, transferirá parte de su energía al núcleo y su direccion será cambiada. El protón es mucho más ligero que la mayoría de los núcleos y la colision con un núcleo provocará poca pérdida de energía. Utilzando cinemática no relativista y las leyes de la conservación, que la máxima transferencia de energía en el choque de un protón de masa m con u núcleo de masa M está dado por:

[pic 1]

Si la masa del protón es mucho menor que la masa del núcleo, tenemos:

[pic 2]

En un choque con un núcleo el protón perderá poca energía, pero su dirección puede ser cambiado por completo; incluso puede rebotar hacia atrás.

Por otro lado, en las colisiones con los electrones una gran cantidad de energía puede ser transferida a los electrones, pero la dirección del protón sólo se puede cambiar ligeramente.

Entonces podemos decir que, la mayor pérdida de energía del protón es debido a las colisiones con los electrones, y la mayoría del cambio de dirección es debido a las colisiones con los núcleos.

Un protón y, más en general, cualquier partícula cargada, penetrando en la materia deja detrás una estela de átomos excitados y electrones libres que han adquirido un poco de energía en la colisión.

Algunos de los electrones adquieren la energía suficiente para recorrer distancias macroscópicas en la materia. Estos electrones de alta energía se denominan a veces δ-electrones^[1]. Estos tienes energía suficiente para excitar o ionizar los átomos en el medio.

Este tipo de pérdida de energía debido a la interacción de la partícula cargada con electrones se refiere a menudo como "la pérdida de energía debido a la ionización”. Esto, estrictamente hablando, no es correcto ya que muchos átomos sólo son llevados a un estado excitado,pero no ionizado.

[pic 3]

Fig. 1. Una partícula cargada peentra en la materia. Se pierde energía mediante la transferencia de una pequeña cantidad de la misma en la interacción con un gran número de electrones. Algunos de estos electrones tienem energía sufiiente para recorrer una distancia macroscópica, y también pueden causar ionización en su trayectoria.

La pérdida de energía por ionización de una partícula cargada se expresa mediante la fórmula de Bethe-Bloch.

[pic 4]

Donde: [pic 5]

Para todas las partículas cargadas, la pérdida de energía disminuye al aumentar la energía y finalmente alcanza un valor constante.

[pic 6]

Fig. 2. Energía perdida en el aire frente a la energía cinética para algunas partículas cargadas.

Para partículas alfa la velocidad es por lo general mucho menor que la velocidad de la luz en el vacío, y la pérdida de energía es mucho mayor. Sin embargo, la ecuacion de Beth-Bloch sólo es válida si la velocidad de la partícula es mucho mayor que la velocidad de los electronesen los átomos, velocidad que es aproximadamente del orden del 1% de la velocidad de la luz . Para velocidades que son pequeñas en comparación con las velocidades de los electrones en los átomos, aumenta la pérdiad de energía con la energia de la partícula incidente y alcanza un máximo cuando la velocidad de las partpiculas es igual a la velociadad típica de los electrones en los átomos. Despues de este máximo, la pérdida disminuye de acuerdo con la ecuacion de Bethe-Bloch.[pic 7]

La distancia recorrida por las partículas se conoce como el rango. como la partícula penetra en el medio, su pérdida de energía por unidad de longitud cambiará. Cerca del final alcanza un máximo y cae bruscamente a cero. Este máximo de la pérdida de enrgía de partículas cargadas cerca del final de su rango se conoce como “pico de Bragg”.[pic 8]

Fig. 3. Energía perdida de un protón de 300 MeV a lo largo de su trayectoria en el agua. La pérdida de energía aumenta hacia el final.

1. Dispersión Múltiple. 

Las colisiones de partículas cargadas con los núcleos harán que la partícula cambie de direccion.

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