Analisis mediante reacciones nucleares (NRA)

El fundamento de esta técnica de análisis radica en la producción de una reacción nuclear en la muestra de interés a través de la irradiación con una haz de iones. Se puede emplear con éxito en la medición de perfiles de concentración en profundidad del elemento de interés. La ventaja del método es que frecuentemente se obtienen productos emitidos con energías grandes en comparación con las de incidencia, lo cual evita en gran medida ruidos e interferencias. Por lo general se utiliza para el análisis de elementos ligeros, que no se pueden determinar con RBS o PIXE, por las limitaciones descritas en los capítulos respectivos. A continuación se describen las características más importantes del método y posibles aplicaciones.

generalidades

Los análisis basados en reacciones nucleares se pueden clasificar en dos tipos: en el primero, se produce una reacción que da un producto cuya radioactividad inducida se mide posteriormente. En este caso, se habla de activación. En el segundo caso, la radiactividad producida en la reacción se detecta de manera inmediata (o casi), y éste es el caso de interés.
Se puede pensar en tres tipos de reacción nuclear para efectuar los análisis:
1.  Una partícula cargada se dispersa elásticamente debido al núcleo cargado, como en RBS o dispersión nuclear elástica;
2.  Las partículas excitan el núcleo, llevándolo a un estado de mayor energía, de manera que el núcleo se desexcita por medio de la emisión de un fotón g;
3.  Se produce un núcleo distinto durante la interacción.
En la mayor parte de las reacciones nucleares hay dos núcleos que interactúan para formar otros dos núcleos distintos. Esto se puede ilustrar de la siguiente forma:

Estas reacciones, desde luego, deben sujetarse a la condición de conservación de la carga y de la masa. Esto se cumple si las sumas de números atómicos y de masas atómicas antes y después de la reacción son iguales:

La masa, sin embargo, sí cambia. Se puede describir la reacción nuclear mediante la expresión

 .
También se puede escribir, de manera más corta:
X(a, b)Y .
Un núcleo con Z protones y A nucleones (es decir, la suma de los protones más los neutrones), se identifica de la siguiente manera:
 .
Cuando un ion incide sobre un núcleo con energía suficiente como para vencer la barrera de repulsión coulombiana, puede ser capturado por el núcleo blanco y formar un núcleo nuevo en un estado excitado. Este se puede desexcitar de varias maneras, ya sea por la emisión de partículas a, protones o radiación g. Si se toma el ejemplo de la Fig. 1, en la que un protón incide sobre un núcleo , se forma un núcleo compuesto que se desexcita con la emisión de un fotón g (con lo cual se conservan el número atómico y la masa), o podría emitir partículas a de energías diversas, según el nivel de energía al cual decae el núcleo. Si dicho nivel no es el estado base, aún puede haber emisión de radiación g, o aún de partículas b si el núcleo no es estable.

Para la aplicación de NRA, existen dos variantes principales. En la primera se analiza la energía del producto de la reacción, lo cual tiene sentido cuando la sección eficaz para que ocurra el fenómeno es una función suave de la energía del proyectil. Para la segunda, se requiere que en la curva de sección eficaz como función de la energía existan resonancias, es decir, máximos muy pronunciados y estrechos. En este caso, se mide la intensidad de la señal secundaria.

Dispositivo experimental para NRA

Para la aplicación del Análisis con Reacciones Nucleares, en el caso específico de una resonancia, puede utilizarse el dispositivo experimental esquematizado en la Fig. 2. En este dispositivo se irradia la muestra con el haz, y se capta la radiación producida, por ejemplo g, con un detector, que en este caso sería de centelleo. Los pulsos enviados por el detector se recogen con un analizador monocanal, en el cual se ha seleccionado una ventana correspondiente a la altura de los pulsos de la radiación g producida en la reacción. Estos pulsos se acumulan en un contador (denotado como esclavo en la Fig. 2). La corriente integrada y digitalizada se envía a un contador maestro, el cual indica la carga hasta la cual deben acumularse los pulsos para cada energía. Esta se cambia para obtener el siguiente punto, y de esta manera se mide la curva de excitación.
La energía del haz puede determinarse ya sea directamente con la lectura del potencial en la terminal del acelerador electrostático, o bien pueden hacerse mediciones del campo magnético del imán analizador. En este caso, se debe encontrar una relación entre la energía del haz y el campo magnético.