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Radiactividad

  1. 1. RADIACTIVIDADAnotaciones de química nuclearpara 4° medioJaime Guerra Valencia
  2. 2. Anotaciones de química nuclear para 4° medioProfesor: Jaime Guerra ValenciaRadiactividad Página 1Fenómenos nucleares y sus aplicacionesRoentgen trabajaba con un tubo de rayos catódicos cuandoinesperadamente, observó luz en una pantalla fluorescente, que seencontraba fuera del aparato. Concluyó que la luz era producida por unosrayos desconocidos que salían del tubo: a estos rayos los llamó rayos X.Otro hecho importante ocurrió cuando puso su mano en la trayectoria de losrayos X y sobre la pantalla vio la sombra de sus huesos. Posteriormente sesupo que los rayos X no estaban compuestos por partículas, como los rayoscatódicos, sino que se trataba de una nueva forma de radiaciónelectromagnética, como la luz visible o las ondas de radio, pero mucho másenergética, penetrante e ionizante.Becquerel, al saber del descubrimiento de los rayos X, investigó si estos eranemitidos por sustancias fluorescentes (las que absorben luz y luego seiluminan en la oscuridad) y para ello trabajó con una sal de uranio y unapelícula fotográfica virgen. Así descubrió que el mineral de uranio emitía unaradiación desconocida, que luego denominó radioactividad.Marie Curie y su marido, Pierre, descubrieron que la radioactividad era denaturaleza atómica y no molecular y además comprobaron que loselementos torio y uranio eran radioactivos. Su trabajo de análisis químicosobre la pechblenda, un mineral de uranio, los condujo a encontrar dosnuevos elementos, el polonio y el radio. El radio posee un gran poderradioactivo, y por su capacidad para matar células se convirtió en la basepara la terapia radiológica contra el cáncer. En 1903, Becquerel y los Curiecompartieron el premio Nobel de Física y en 1911 Marie Curie obtuvo el deQuímica.En 1899, el neozelandés Ernest Rutherford demostró que las sustanciasradioactivas producen dos tipos de radiaciones, a las que llamó rayosalfa y rayos beta, pero fue posteriormente Paul Villard quien descubrió eltercer tipo de radiación, a la cual denominó gamma.
  3. 3. Anotaciones de química nuclear para 4° medioProfesor: Jaime Guerra ValenciaRadiactividad Página 2Una característica de las sustancias radioactivas es la carga eléctrica. Fueposible comprobar la carga eléctrica de cada una de las radiaciones cuandose las hizo pasar por un campo eléctrico, consistente en dos placas cargadaseléctricamente, quedando demostrado que las radiaciones son de diferentenaturaleza.Las partículas alfa están cargadas positivamente, las beta negativamente y lasgamma no tienen carga eléctrica.Otra característica importante de las radiaciones es su poder de penetración:los rayos alfa son poco penetrantes y pueden ser detenidos por una hoja depapel; en cambio, los rayos beta pueden atravesar una lámina de aluminio de0,3 mm de espesor. Las radiaciones gamma, en tanto, son las máspenetrantes, pero son detenidas por una lámina de plomo de 10 cm, talcomo se observa en la siguiente figura.Propiedades de las emisiones radioactivas
  4. 4. Anotaciones de química nuclear para 4° medioProfesor: Jaime Guerra ValenciaRadiactividad Página 3En el átomo hay tres partículas fundamentales, dos de las cuales seencuentran dentro del núcleo, los protones y los neutrones, y que se lesdenomina nucleones. Los electrones, en tanto, se encuentran en la parteexterna del átomo.Algunos núcleos son inestables, emiten partículas y/o radiaciónelectromagnética espontáneamente. Este fenómeno se conocecomo radiactividad natural.Una serie de desintegración es una serie de cambios que sufren los núclidosradiactivos a medida que liberan partículas alfa y beta hasta convertirse enuna sustancia estable (no radiactiva).Un ejemplo es la serie de desintegración del uranio-238. Este proceso serepite hasta que finalmente se forma un producto estable. La secuencia dedesintegración por pasos se conoce como serie de decaimiento.Una serie radiactiva se inicia con un núclido radiactivo y finaliza con unelemento estable.En la naturaleza se presentan tres series de este tipo: La serie del U-238 que finaliza con el Pb-206. La serie del U-235, que termina con el Pb-207. Finalmente la serie que se inicia con el Th-232 y que concluye con elPb-208.Ecuaciones nuclearesUna ecuación nuclear es una representación simbólica de una reacciónnuclear.El decaimiento radiactivo se representa por medio de ecuaciones nucleares.Esto lo expresamos en forma general, así:
  5. 5. Anotaciones de química nuclear para 4° medioProfesor: Jaime Guerra ValenciaRadiactividad Página 4A AX → Y + emisión radiactivaZ ZNúcleo radiactivo Núcleo formadoA= Número másico Z= Número atómicoDecaimiento alfaCuando en una desintegración nuclear se emite una partícula alfa, se obtieneun núcleo que tiene un númeroatómico menor en dos unidades y un número másico menor en cuatrounidades respecto al elemento que lo genera, esto es:A A - 4 4X → Y + He (α)Z Z - 2 2Ejemplos de emisión de una partícula alfa es la del elemento polonio,descubierto por los Curie.84Po210→ 82Pb206+ 2He488Ra226→ 86Rn222+ 2He4El elemento que se forma después del decaimiento alfa tiene un númeroatómico menor en dos unidades y un número másico menor en cuatrounidades respecto al elemento que lo genera.Decaimiento betaUn neutrón puede transformarse en un protón al emitirse un electrón,reacción que puede escribirse de la siguiente forma:0n1→ 1p1+ -1e0+ energíaEl electrón emitido abandona el núcleo a altísima velocidad. En este proceso,el número másico no se altera (disminuye un neutrón y se genera un protón),pero el átomo que se forma tiene en su núcleo un protón más que el inicial,por lo tanto, el número atómico aumenta en una unidad, esto se puedeescribir simbólicamente de la siguiente forma:A A 0X → Y + e (β)Z Z + 1 -1Núcleo radiactivo que libera una partícula beta
  6. 6. Anotaciones de química nuclear para 4° medioProfesor: Jaime Guerra ValenciaRadiactividad Página 5Ejemplos de decaimiento beta es:82Pb210→ 83Bi210+ -1e092U239→ 93Np239+ -1e0Emisión gammaLa radiación gamma se emite debido a cambios de energía dentro del núcleo.Su emisión no provoca variación en el número másico y tampoco en elnúmero atómico. Simplemente se trata de un núcleo excitado que liberaenergía de esta forma, por ejemplo:52Te125→ 52Te125+ γEl isótopo radiactivo inicial es denominado padre o progenitor; el producto seconoce como descendiente.Otros tipos de desintegración radiactivaLa mayoría de los elementos radiactivos decaen o se desintegran por laemisión de partículas, como el alfa y la beta, que pueden estar acompañadasde radiación gamma. Sin embargo, al sintetizar nuevos elementos radiactivospor métodos artificiales, se observó que existían otros métodos, como laemisión de positrones (+1e0 o β+) y la captura de electrones ( -1 e 0).Emisión de positronesCuando un núclido radiactivo emite un positrón, el elemento que se formatiene un número atómico menor en una unidad y el número másicopermanece igual.A A 0X → Y + e (β+)Z Z - 1 +1Ejemplo de emisión de positrones7N13→ +1e0+ 6C13Un positrón es idéntico a un electrón, pero tiene carga positiva. Serepresenta como +1e0o bien β+debido a que tiene carga +1 y masa 0. Es muyprobable que se forme en el núcleo cuando un protón se transforma en unneutrón:+1p1→ 0n1+ +1e0Al igual que una partícula beta, un positrón tiene un pequeño poder depenetración.
  7. 7. Anotaciones de química nuclear para 4° medioProfesor: Jaime Guerra ValenciaRadiactividad Página 6Por ejemplo, el nitrógeno-13 se desintegra al liberar un positrón.7N13→ 6C13+ +1β084Po207→ +1β0+ 83Bi207Captura de electrones o captura-KLa captura de electrones es un proceso en el cual un núclido “atrapa” unelectrón de su nivel más interno (nivel 1 o capa K, según la antiguanomenclatura) convirtiendo al protón en un neutrón.92U231+ -1e0→ 91Pa231Cuando un elemento experimenta el proceso de captura de electrones, sunúmero atómico disminuye en 1, mientras que su número másico permaneceinalterado.Ejemplos de este tipo de reacción nuclear son:4Be7+ -1e0→ 3Li77N13+ -1e0→ 4C13Comparación de las reacciones químicas con las reacciones nucleares:Reacciones químicas Reacciones nucleares1.-Los átomos se reordenan por larupturayformación de enlaces químicos.2.-Solo los electrones están implicados enla ruptura y formación de los enlaces.3.-Las reacciones van acompañadas por la absorción o liberacióndecantidades de energía relativamente pequeñas. EjCH4 + 2O2→ CO2 + 2 H2O +200kcal4.-La temperatura, presión, concentraciónde los reactantes y catalizadores, son factores quedeterminan la velocidad de una reacción.1.-Los elementos o los isótopos de unelemento generan otro elemento alcambiar la constitución del núcleo delátomo.2.-En las reacciones pueden participarprotones,neutrones, electrones y otraspartículas elementales.3.-Las reacciones van acompañadas por la absorción oliberación de enormescantidades de energía. Ej3Li7 + 1H1 →22He4+23000000Kcal4.-Las velocidades de reaccióngeneralmente no se ven afectadas por latemperatura, la presión o loscatalizadores.
  8. 8. Anotaciones de química nuclear para 4° medioProfesor: Jaime Guerra ValenciaRadiactividad Página 7Es necesario considerar cómo se escriben y balancean las ecuacionesnucleares. Para ello se debe señalar los símbolos de los elementos químicos yademás indicar explícitamente el número de protones y neutrones que tienecada elemento.Al balancear una ecuación nuclear, se deberá cumplir que:1. El número total de protones y neutrones en los productos y en losreactantes debe ser el mismo (conservación de la masa).2. El número total de cargas nucleares en los productos y en losreactantes debe ser el mismo (conservación de la carga nuclear).Estabilidad nuclearEl núcleo ocupa una porción muy pequeña del volumen total de un átomo,pero contiene la mayor parte de la masa del mismo porque tanto losprotones como los neutrones se encuentran allí. La estabilidad de los núcleosatómicos queda determinada por su densidad, que informa acerca de lafuerza de unión de las partículas. La densidad del núcleo es tan grande queobliga a pensar que las partículas se encuentran extremadamente juntas. Sonimportantes las fuerzas de repulsión de tipo coulombiana que operan entrelas partículas de igual signo, como son los protones. Sin embargo, además dela repulsión, existen también atracciones de corto alcance entre protón-protón, protón-neutrón, neutrón-neutrón. La estabilidad de cualquier núcleoestá determinada por la diferencia entre la repulsión coulombiana y lasatracciones de corta distancia. Si la repulsión sobrepasa la atracción, elnúcleo se desintegra, emitiendo partículas y/o radiación. Si la atracciónprevalece, el núcleo es estable.Factores que influyen en la estabilidad de un núclido1. Los isótopos de los elementos que tienen número atómico mayor de83 son radiactivos, como también lo son los isótopos del tecnecio(Z=43) y del prometio (Z=61).2. Los núcleos que contienen 2, 8, 20, 50, 82 ó 126 protones o neutronesen general son estables. Estos números se llaman números mágicos. Laimportancia de estos para la estabilidad nuclear es similar a la quepresentan los gases nobles en su casi nula reactividad química.3. Los núcleos con número par de protones y neutrones son, por logeneral, más estables que los que tienen números impares de estaspartículas.4. Un factor importante para determinar si el núcleo es estable es larelación neutrón - protón (n/p). Para átomos estables de elementos debajo número atómico, el valor de n/p es cercano a 1. A medida que elnúmero atómico aumenta, la relación n/p también aumenta y, porsupuesto, es superior a 1. Esta desviación se da en los elementos denúmeros atómicos altos porque se necesita un mayor número deneutrones para estabilizar al núcleo, contrarrestando la fuerterepulsión entre los protones.
  9. 9. Anotaciones de química nuclear para 4° medioProfesor: Jaime Guerra ValenciaRadiactividad Página 8Los elementos más estables se encuentran en el área que se denomina elcinturón de estabilidad. Cabe notar que los elementos de bajo númeroatómico, (donde la relación de n/p es 1) caen en el cinturón de estabilidad,comprobando lo que se había asegurado anteriormente. La mayor parte delos núcleos radiactivos se encuentran fuera de este cinturón.El gráfico del número de neutrones (en la ordenada) contra el número deprotones (en la abscisa) de varios isótopos, muestra la ubicación de loselementos y permite observar qué núclidos son integrantes del cinturón deestabilidad.Arriba del cinturón de estabilidad el núcleo tiene una relación n/p mayor queen aquellos que se encuentran dentro del cinturón. Para disminuir estarelación y de esta manera descender al cinturón de estabilidad, estos núcleosdeberán emitir partículas beta.Los núcleos que se encuentran bajo el cinturón de estabilidad tienen unarelación n/p menor que los que están en el cinturón, y para incrementardicha relación, estos núcleos deberán emitir un positrón o bien capturarelectrones.Vida mediaLa desintegración de uranio es extremadamente lenta comparada con ladesintegración de torio. Cada una de estas desintegraciones resulta tener unperiodo de semidesintegración, llamado también semivida, característicopara cada elemento. La semivida representa el tiempo necesario para que lamitad de la materia radiactiva se desintegre. Además, es independiente de lacantidad de sustancia radiactiva presente y está determinada únicamente
  10. 10. Anotaciones de química nuclear para 4° medioProfesor: Jaime Guerra ValenciaRadiactividad Página 9por el tipo de núcleo radiactivo. Algunos isótopos radiactivos tienensemividas muy largas, mientras las de otros son extremadamente cortas.Semivida de los elementos radiactivos naturales en la serie de uranio-238La velocidad de desintegración se analiza en función de su vida media. Dichasdesintegraciones son de primer orden.Cada isótopo tiene una vida media característica. La vida media del Sr-90, porejemplo, es 28,8 años. Si se tienen 10 g de Sr-90, luego de 115,2 añosquedarán sin desintegrar 0,625 g; para ello deben haber transcurrido cuatrovidas medias, es decir 28,8 x 4 = 115,2 años. La ecuación de desintegracióndel Sr-90 es:38Sr90→ 39Y90+ 1e0Aplicaciones de los isótopos radiactivosLos isótopos estables y radiactivos tienen varias aplicaciones en la ciencia yen la medicina. En química se utilizan para determinar estructuras decompuestos, seguir el curso de una reacción química (determinación de lospasos que se realizan en la fotosíntesis), determinar la edad de ciertosobjetos (mediante la técnica del carbono-14 se logró determinar que lospapiros del Mar Muerto tienen aproximadamente entre 1917 a 2000 años),etc. En medicina se usan, por ejemplo, en el sodio-24, que inyectado altorrente sanguíneo como una solución salina puede ser monitoreado para
  11. 11. Anotaciones de química nuclear para 4° medioProfesor: Jaime Guerra ValenciaRadiactividad Página 10rastrear el flujo de sangre y detectar posibles constricciones u obstruccionesen el sistema circulatorio. El yodo-131 se ha utilizado para probar la actividadde la glándula tiroides, otro isótopo, el yodo-132, se usa para producirimágenes del cerebro, el cobalto-60 para la destrucción de tumorescancerosos, el arsénico-74 para localizar tumores cerebrales, el cobalto-58 enla determinación del nivel vitamínico B, el cromo-51 en la estimación devolúmenes de líquidos del cuerpo, el fósforo-32 en la detección de cáncer enla piel, el hierro-59 para calcular la rapidez de formación de glóbulos rojos yel oro-198 para el cáncer de próstata.Fechado radiactivoSumado a todo esto, se puede determinar la antigüedad de objetos que enalguna época fueron o formaron parte de organismos vivos, como puedenser los huesos, utilizando la vida media del isótopo radiactivo carbono-14. Enla materia viva, la relación entre el carbono-14 y el carbono-12 (noradiactivo) permanece relativamente constante. El carbono-14 que hay ennuestra atmósfera se origina por la reacción entre un átomo de nitrógeno yun neutrón que proviene de la atmósfera superior, como lo indica lasiguiente reacción nuclear:7N14+ 0n1→ 6C14+ 1H1El carbono-14 se desintegra formando una partícula beta, de acuerdo con lasiguiente ecuación nuclear:6C14→ 7N14+ -1e0Se considera que la relación entre el carbono-14 y el carbono-12 en el tejidovivo es constante durante milenios. Cuando el tejido de una planta o unanimal mueren, el contenido de carbono-14 disminuye porque ya no ocurrela ingestión ni la utilización del carbono-14. Por tanto, en el tejido muerto larelación del carbono-14 y el carbono-12 disminuye con el tiempo, siendo asíla relación una medida de la edad de la muestra.La vida media del C –14 es de 5730 años. Trascurridos 5730 años de lamuerte del organismo, la cantidad de C-14 se reduce a la mitad de la quehabía inicialmente. Por lo cual, después de dos periodos desemidesintegración, quedará la cuarta parte de la cantidad original; despuésde tres periodos, la octava parte y así sucesivamente. Cuanto menor es lacantidad de C-14 que queda en el organismo muerto u objeto arqueológico,más antiguo es él.De la misma manera, se utiliza la vida media del uranio-238 para determinarla edad de diferentes objetos no vivos, como por ejemplo las rocas. En estoscálculos se emplea la relación del uranio-238 radiactivo con el plomo-206 noradiactivo, con una vida media de 4,5 x 109años. De acuerdo con losresultados de la aplicación de este método, la edad de las rocas más antiguassobre la Tierra parece ser cercana a 4 x 109años.
  12. 12. Anotaciones de química nuclear para 4° medioProfesor: Jaime Guerra ValenciaRadiactividad Página 11Reacciones nucleares artificialesFue Rutherford, en 1919, quien realizó la primera reacción nuclear artificial.Mediante el bombardeo de partículas alfa sobre una muestra de nitrógeno,Rutherford detectó un protón aislado; la explicación fue que la energíacinética de la partícula alfa le permite chocar con un núcleo de nitrógeno yfusionarse con él. Así, se forma un núcleo inestable de flúor, que decaeeliminando un protón.7N14+ 2He4====> (9F18) ====> 8O17+ 1H1Si se sustituye el nitrógeno-14 por el berilio-9, en la reacción nuclear seobtiene carbono-12 y un neutrón, tal como lo indica la siguiente ecuación:4Be9+ 2He4====> (6C13) ====> 6C12+ 0n1Esta es la reacción que le permitió a Chadwick comprobar la existencia delneutrón.Elementos transuránicosLos aceleradores de partículas hicieron posible la síntesis de elementos connúmeros atómicos mayores que 92, llamados elementos transuránicos,porque su número atómico supera el del uranio (Z=92). Desde que elneptunio (Z=93) fuera preparado por primera vez en 1940, se han sintetizadootros 16 elementos transuránicos. Todos los isótopos de estos elementos sonradiactivos. Los que poseen números atómicos mayores de 100 han sidoproducidos utilizando elementos que luego han sido bombardeados sobreotros que les han servido de blanco. Es muy probable que puedan producirseelementos con números atómicos aún mayores. Los producidos hasta ahorase caracterizan por tener bajos rendimientos y vida media muy corta.Originalmente, solamente se prepararon unos pocos átomos de loselementos 103 al 109 y tenían vidas medias de segundos. Los científicosnucleares creen que pueden producirse elementos con números atómicostan altos como el 126.Reacciones de fisión nuclearEn la fisión nuclear, un núcleo de número másico mayor que 200, al chocarcon un neutrón, se divide para formar núcleos más pequeños de masaintermedia y uno o más neutrones. Ya que los núcleos pesados son menosestables que sus productos, este proceso libera una gran cantidad de energía.La primera reacción de fisión nuclear estudiada fue la del uranio-235bombardeado con neutrones lentos, cuya velocidad es comparable a la de lasmoléculas de aire a temperatura ambiente. Como producto de talbombardeo, se han encontrado más de 30 elementos distintos.Aunque se puede provocar la fisión de muchos núcleos pesados, únicamentela del uranio-235 es de ocurrencia natural. La del plutonio-239 es artificial ytiene poca importancia práctica.
  13. 13. Anotaciones de química nuclear para 4° medioProfesor: Jaime Guerra ValenciaRadiactividad Página 12La característica más relevante en la fisión del uranio-235 no es solo laenorme cantidad de energía liberada, sino el hecho de que se producen másneutrones que los capturados originalmente en el proceso.Esta propiedad hace posible una reacción nuclear en cadena, que es unasecuencia de reacciones de fisión nuclear autosostenidas.Los neutrones generados durante los procesos iniciales pueden inducir lafisión en otros núcleos de uranio-235, que a su vez producirán más neutronesy así sucesivamente. En menos de un segundo, la reacción puede serincontrolable, liberando una enorme cantidad de calor hacia los alrededores.La reacción de fisión es el principio de la primera bomba atómica,manifestación explosiva que mata por el calor generado y por la radiaciónesparcida en una amplia zona. Afortunadamente, la reacción en cadena hapodido controlarse y ser aprovechada. Un reactor nuclear puede aprovecharla energía liberada durante la fisión y transformarla, por ejemplo, enelectricidad. Existen factores económicos y tecnológicos a favor y en contrade la nucleoelectricidad. Algunos argumentos en contra son: El uranio natural contiene un bajo porcentaje de uranio-235 y se hacenecesario plantas de enriquecimiento en este isótopo. El mayor porcentaje en el uranio natural es el isótopo uranio-238, queabsorbe fácilmente neutrones y produce el elemento plutonio(elemento que se utiliza en la fabricación de bombas atómicas). Los núcleos productos de la fisión del uranio son sumamenteradiactivos, en especial el kriptón-85. El manejo de los reactores nucleares no es totalmente seguro, talcomo ha quedado en evidencia en Three Mile Island (ver informaciónenhttp://www.paralibros.com/passim/p20-cat/pg2079tm.htm ) enEstados Unidos, y Chernobyl (ver informaciónen http://www.paralibros.com/passim/p20-cat/pg2086ch.htm), en laex Unión Soviética.
  14. 14. Anotaciones de química nuclear para 4° medioProfesor: Jaime Guerra ValenciaRadiactividad Página 13Fusión nuclearA diferencia del proceso de fisión nuclear, la fusión nuclear es la combinaciónde pequeños núcleos para formar otros mayores.En los elementos livianos, la estabilidad nuclear se incrementa cuandoaumenta el número másico. Esto sugiere que si dos núcleos ligeros secombinan o se fusionan para formar uno mayor (un núcleo más estable) seliberará una cantidad apreciable de energía en el proceso.La fusión nuclear ocurre constantemente en el sol, que está constituido en sumayor parte por hidrógeno y helio. En él la temperatura es cercana a 15millones de grados Celsius y las reacciones que allí ocurren sedenominan termonucleares.La fusión nuclear tiene sus ventajas por sobre la fisión nuclear: Los combustibles son baratos y casi inagotables. El proceso produce poco desperdicio (pero sí algo de contaminacióntérmica). Son procesos seguros en su ejecución y si se apagase una máquina defusión nuclear, se apagaría completa e instantáneamente y no existiríaposibilidad de que se fundiese.El problema es que aún no se ha construido un reactor de fusión nuclear,debido a que hay que mantener los núcleos juntos a una temperaturaapropiada para que ocurra la fusión. A temperaturas de unos 100 millones degrados Celsius, las moléculas no pueden existir y todos o la mayor parte delos átomos son despojados de sus electrones. Este estado de la materia, en elque un gas consta de iones positivos y electrones, se denomina plasma.

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