UNIDAD QUMICA NUCLEAR Objetivo Comprender las caractersticas del

UNIDAD: QUÍMICA NUCLEAR Objetivo: Comprender las características del núcleo atómico que permiten la radiactividad.

RECORDEMOS ALGUNOS CONCEPTOS Relaciones de tamaño: - Quark: < 10 -18 m -Protón ≈ 10 -15 m -Neutrón ≈ 10 -15 m -Núcleo ≈ 10 -14 m -Electrón ≈ 10 -18 m -Átomo ≈ 10 -10 m Si los protones y neutrones midieran 10 cm, los quarks y electrones serían de 0, 1 mm y el átomo completo de 10 km. Fig. 1: Estructura del átomo. Fuente, Texto química ECC 2016

PROPIEDADES ATÓMICAS Número másico (A): Suma aproximada de las partículas del núcleo. 22, 990 11 Na +1 Carga del átomo. Positiva, Catión. Negativa, Anión. Número atómico (Z): Protones del núcleo.

ISOTOPÍA. • Los isótopos son átomos de un mismo elemento que tienen igual cantidad de protones pero distinta cantidad de neutrones. Por lo tanto tiene igual Z y distinto A. Los isótopos presentan iguales propiedades químicas, aunque distinta radiactividad. 1 1 H 2 1 H 3 1 P+ 1 1 1 no 0 1 2 e- 1 1 1 H

ISOBAROS • Son aquellos átomos que presentan igual número másico y distinto número atómico. • Tienen propiedades químicas y radiactivas distintas. • Ej: 14 y C 6 14 N 7

ISOTONOS • Son átomos que presentan distinto número másico y distinto número atómico, pero tienen igual número de neutrones. • Presentan propiedades químicas distintas. • Son semejantes en las propiedades radiactivas. • Ej: 11 y B 5 12 C 6

¿CÓMO SE CALCULA LA MASA DEL NÚCLEO? • En la tabla periódica la masa de un elemento suele estar con números decimales y se aproxima para facilidad de cálculos, pero ¿Cómo se obtiene? • Para ellos se usa la masa atómica promedio, considerando los isotopos naturales de un elemento y su abundancia en la naturaleza. Isotopo Número másico Abundancia 1 1 H 1 99, 985 1 1 H 2 0. 014 1 1 H 3 0, 0001

• Fórmula: (A) Del isotopo 1 x % abundancia + (A) del isotopo 2 x Abundancia… _________________________________ _ 100

ESTABILIDAD NUCLEAR Factores que influyen: 1) Interacción nuclear fuerte 2) Relación entre la cantidad de protones y neutrones 3) Energía del núcleo

INTERACCIÓN NUCLEAR FUERTE • Para mantener los protones unidos en el núcleo (con igual carga, tienden a repelerse), actúa sobre los protones y neutrones a distancias del orden de 10 -15 m y vence a la fuerza electromagnética. Fig. 2: Un protón con sus 3 quarks unidos por un campo de gluones, los portadores de la fuerza nuclear fuerte. /Fuente: Texto Química ECC 2016

RELACIÓN DE LA CANTIDAD DE PROTONES Y NEUTRONES • En los núcleos ligeros, la estabilidad se consigue cuando el número de neutrones es semejante al de protones. • En los más pesados, la estabilidad se consigue con mayor número de neutrones y la relación puede ser superior a 1, de lo contrario, el núcleo será inestable. Número másico Número atómico Neutrones (protones) Núcleos estables Par Par 166 Impar Par Impar 54 Impar Par 50 Par Impar 4

BANDA DE ESTABILIDAD De esta se concluye que: a) Los isotopos pequeños tienen una relación de 1. b) Los isotopos pesados aumentan hasta 1, 5 la estabilidad. c) No hay isotopos estables para los elementos químicos de Z > 83. Fig. 3: Gráfico de estabilidad nuclear. Fuente: Texto Química ECC - 2016

ENERGÍA DEL NÚCLEO • En la masa de un átomo se considera a los protones y neutrones, pero experimentalmente se observa que el valor es siempre un poco menor a lo esperado. • ¿Por qué? • Esto se explica por el “defecto de masa”, aspecto que Einstein mencionó en su teoría de la relatividad, la pérdida de masa se manifiesta como energía liberada a los alrededores: • E = m x c 2

• Si se calcula la energía ligada al núcleo usando la fórmula anterior, se obtiene la energía de ligadura (la necesaria para que el núcleo sea estable). • Esta equivalencia corresponde a: • ΔE = 932, 9 Me. V (megaelectrónvoltio, 1, 6 x 10 -13 J) • Al dividir esta energía por el número másico, se obtiene una relación que mientras mayor sea, más estable el núcleo.

RADIACTIVIDAD • En 1896 Henri Becquerel descubrió que los minerales de Uranio (U, Z = 92) eran capaces de velar una placa fotográfica en ausencia de luz externa, por lo que concluyó que poseían la propiedad de emitir radiaciones en forma espontánea. • Con posterioridad los científicos Pierre y Marie Curie buscaron otras sustancias que emitieran radiaciones. Comprobaron que todos los minerales de uranio las emitían y además aislaron otros dos elementos con iguales propiedades; el polonio (Po, Z = 84) y el radio (Ra, Z = 88) a los cuales llamaron elementos radiactivos. Fig. 4: Trébol radiactivo / Fuente: Desayuno con fotones - 2014

RADIACTIVIDAD NATURAL Y ARTIFICIAL • Natural: proceso mediante el cual el núcleo se desintegra liberando emisiones radiactivas y transformándose en un núcleo distinto. • Artificial: proceso ocurrido cuando un núcleo estable es bombardeado por partículas, generando inestabilidad.

EMISIONES RADIACTIVAS • Si un rayo de luz emitido por un elemento radiactivo se hace pasar a través de un campo eléctrico, la radiación se descompone en tres tipos distintos de rayos: rayos alfa ( ), rayos beta ( ) y rayos gamma ( ). Estas radiaciones se emiten a diferentes velocidades y tienen distintas capacidades de ionizar y penetrar la materia.

EMISIONES RADIACTIVAS Fig. 5: Emisiones radiactivas / Fuente: The Mc Graw Hill Corporation

RAYOS ALFA ( ) • Corresponden a partículas formadas por dos protones y dos neutrones. Debido a que la masa y el volumen de las partículas alfa son relativamente elevados, estas radiaciones viajan a una velocidad menor que los rayos beta y gamma por lo que tienen un grado de penetración bajo. Fig. 6 Emisión alfa /Fuente Madrid Ciencia y tecnología nuclear 2007

RAYOS BETA ( ) • También se constituyen por haces de partículas. Las partículas beta son iguales a los electrones, es decir tienen carga – 1. Son 7. 000 veces más pequeñas que las partículas alfa y viajan a una velocidad cercana a la de la luz lo que les da un poder de penetración medio.

RAYOS GAMMA ( ) • La naturaleza de los rayos gamma es muy diferente a la de los rayos alfa y beta. Es una radiación electromagnética idéntica a la de la luz, pero con un contenido energético muy superior. Estas propiedades hacen de los rayos gamma “sutiles agujas” desprovistos de masa, capaces de atravesar la materia y realizar un recorrido sin ningún obstáculo.

• Para diferenciar las emisiones radiactivas se puede comparar su capacidad de penetrar la materia. Los rayos son detenidos por un trozo de papel. Los rayos atraviesan láminas de aluminio de hasta 1 mm aprox. Para detener los rayos se debe interponer un grueso bloque de plomo de unos 22 cm o una pared de concreto de varios metros de espesor.

PARTICULAS RADIACTIVAS Fig. 7: Grado de penetrabilidad de las emisiones radiactivas / Fuente, Química 4 ed. Santillana 2004

Nombre Símbolo Naturaleza Carga Masa/uma Velocidad +2 4 1/10 de c 42 He Nucleos de helio Electrones -1 0. 00005 Cercana a c 0 C Alfa Beta 0 -1 e Gamma Radiación 0 electromag nética de alta energía NOTA: LA LETRA C DESIGNA A LA VELOCIDAD DE LA LUZ EN EL VACÍO; EL VALOR DE C ES 3 X 108 METROS POR SEGUNDO A 300. 000 KM/S

REACCIÓN NUCLEAR • Es el proceso de transformación que sufre el núcleo atómico. La reacción nuclear por la que un elemento químico da origen a otro diferente se llama reacción de transmutación. Este proceso puede lograrse por la fisión o fusión nuclear.

REACCIÓN DE DESINTEGRACIÓN (2 4 He) z EA-4 z-2 AE (-10 e) EAz+1

ECUACIÓN NUCLEAR Desintegración del Radio: 88 226 Ra Z ARn + 2 4 He Los números atómicos y másicos deben conservarse, resolviendo las siguientes ecuaciones de primer grado, obtendremos el subíndice y superíndice del Rn: Balance de nºs másicos 226 = 4+A Balance de nºs atómicos 88 = -1+Z Resolviendo A=222 y Z=86. 226 Ra 222 Rn + 4 He 88 86 2

ECUACIÓN NUCLEAR • Desintegración del Polonio: 84 218 Po A z At + -10 e. Balance de nº másicos: 218=0+A Balance de nº atómico: 84=-1 + Z Resolviendo, A=218 y Z=85. La ecuación nuclear será: 218 Po 218 At + 0 e. 84 85 -1

FISIÓN NUCLEAR Es el proceso por el que núcleos con alto número másico se dividen para dar origen a dos o más núcleos con números másicos menores. Hay fisiones nucleares que ocurren en forma espontánea y otras que son inducidas por medio del bombardeo con partículas.

FISIÓN NUCLEAR 92 235 U + +energía 0 1 n 92 236 U 56 139 Ba + 3694 Kr + 301 n

FUSIÓN NUCLEAR • Es el proceso por el que dos o más núcleos con números másicos pequeños se unen para producir núcleos con números másicos mayores.

FUSIÓN NUCLEAR 2 H 3 H + 1 1 energía 2 4 He + 01 n +

REACCIÓN EN CADENA • Es el proceso nuclear que ocurre en forma secuencial y autosostenida a partir de cierta masa fisionable (masa crítica)

PARTÍCULAS ELEMENTALES Partícula Símbolo Masa (u) Carga 1 Protón 1 +1 1 H Neutrón Electrón n 1 0 -10 e 0 -1 1 0 Positrón +1 0 e 0 +1 Alfa 4 He 2 4 +2

VIDA MEDIA (T 1/2) • Es el intervalo de tiempo requerida para que la actividad de un isótopo radiactivo (radioisótopo) disminuya a la mitad de su valor original. La actividad radiactiva se mide en desintegraciones por unidad de tiempo.