y  –  Felipe  Salas  

2013

 

Química  –  Fenómenos  Nucleares  

Los  fenómenos  nucleares  abarcan  numerosas  reacciones  dentro  de  la  física  y  la  química.  Desde  procesos  beneficiosos  para  el  hombre,  como  el  desarrollo  de  tratamientos  médicos  nucleares  hasta  desastrosas  consecuencias  como  la  bomba  atómica.  A  lo  largo  de  este  capítulo  estudiaremos  los  fenómenos  nucleares,  sus  propiedades  y  aplicaciones  a  la  vida  diaria.  

 ©  Fernando  Brierley  V.  –  Felipe  Salas  B.  

2013  

 

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QUÍMICA – FENÓMENOS NUCLEARES

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Fenómenos  nucleares  y  sus  aplicaciones        

Hace   muchos   años   en   un   laboratorio   europeo,   una   joven   pareja   de   científicos   no  pensaban  que   lo  que  estaban  haciendo,  sería   trascendental  para   la  ciencia.  Y  es  que  Marie  y  Pierre  Curie  estaban  observando  nuevos  elementos  radiactivos,  y  con  ello  descubriendo  que  la   radiación  es  emitida  desde  el  núcleo.  Sin  duda,  uno  de   los  grandes  descubrimientos  en   la  historia  de  la  humanidad.  

Dato   puntaje:  Becquerel  fue  el  primero  en  ver  los  fenómenos  producidos   por   la   radiación,   al   analizar   sales   de   uranio.   Sin  embargo,  no  supo  interpretar  correctamente  sus  observaciones.      

Muchas   veces   asociamos   la   palabra  nuclear   con   algo  malo.   Y   es   que   viene   a   nuestra  mente   inmediatamente   la   explosión   de   una   bomba   atómica,   o   el   desastre   de   Chernobil.   En  general,  catástrofes  producidas  por  el  mal  uso  de  la  energía  nuclear.  Sin  embargo,  un  correcto  uso  de  ésta  puede  ser  muy  beneficioso  para  la  humanidad.  Desde  tratamientos  médicos  hasta  plantas  de  energía  nuclear,  la  radiación  puede  traernos  muy  buenas  aplicaciones.    

La  radiación  se  define  como  la  emisión  de  energía  (o  partículas)  por  parte  de  átomos  con   núcleos   inestables   Si   un   átomo   es   o   no   radiactivo   dependerá   únicamente   del   núcleo.   A  continuación  veremos  los  factores  que  nos  indican  la  estabilidad  de  un  átomo.      I]  Estabilidad  nuclear    

Son  muchos  los  factores  de  los  que  depende  si  un  átomo  será  radiactivo  o  no.  En  base  a  ello   nace   el   concepto   de   estabilidad   nuclear,   la   cual   nos   dice   qué   tan   probable   es   que   un  determinado  átomo  irradie.  Para  entender  esto  recurriremos  a  conocimientos  anteriores.  En  el   núcleo   se   alojan   tanto   los   protones   como   los  neutrones,   siendo   estos   últimos   los   encargados   de   la  cohesión  de  los  primeros  (los  protones  se  repelen  con  fuerza   electrostática   debido   a   la   igualdad   de   cargas).  Es  así   como,   la   razón  entre  protones  y  neutrones  nos  permitirá   saber   la   estabilidad  atómica.   Por   ello,   si   un  átomo  es   inestable  emitirá  partículas  hasta  disminuir  su  energía  interna  y  así  ganar  estabilidad.    

En   general   los   átomos   pesados   (con   un  número   atómico   [Z]   mayor   a   83)   son   los   más  propensos   a   sufrir   emisiones   radiactivas.   Estos  átomos   se   conocen   como   trans   uránicos   (es   decir,  tienen  un  peso  atómico  mayor  que  el  uranio).  Además,  muchos   átomos   tienen   isótopos   (especies   con   un  número   distinto   de   neutrones)   las   cuales   son  radiactivos  también.  Para  usos  prácticos  se  creó  el  cinturón  de  estabilidad  nuclear,  el  cual  nos  permite  ver,  a  través  de  la  relación  !"#$%&!"'!"#$#%&'

 la  estabilidad  de  las  especies.  

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 II]  Emisiones  radiactivas    A   pesar   de   haber   hablado   ya   de   la   radiación,   veremos   a   continuación   que   existen   distintos  tipos  de  emisiones  radiactivas.    

Partículas   alfa   (𝛼):   Este   tipo   de   radiación   corresponde   a   un   núcleo   de   Helio   con  carga   positiva   (es   decir,   dos   protones   y   dos   neutrones).   Es   de   gran   tamaño.   La  velocidad  con  la  que  avanza  es   lenta,  debido  a  su  alta  masa  y  volumen.  Tiene  un  alto  poder   ionizante.   No   es   dañina   para   la   salud.   Químicamente,   queda   descrita   de   la  siguiente  manera:    

𝐸                                              

!!   𝐷 + 𝐻𝑒  ( 𝛼!! )!

!!!!!!!  

 Es  decir,   al   emitir  una  partícula  alfa,   el  número  atómico  disminuye  en  dos,  mientras  que   el   número   másico   lo   hace   en   4,   siendo   E   un   átomo   genérico   y   D   su  descomposición.  

Dato   puntaje:   Si   eres   bombardeado   por   partículas   alfa,   basta  una   hoja   de   papel   para   protegerte,   pues   éstas   no   la   pueden  traspasar.  

 Partículas   beta   (𝛽):   Corresponde   a   la   emisión   de   un   electrón   provocada   por   la  descomposición   de   un   neutrón   en   un   protón   y   un   electrón.   Presentan   una   gran  velocidad   (cercana   a   la   de   la   luz),   y   producto   de   su   menor   tamaño   es   capaz   de  traspasar  mucho  más  que  las  partículas  alfa,  ionizando  parcialmente  las  partículas  que  encuentra   en   su   camino.   Basta   una   lámina   de   aluminio   para   protegerse.   En   grandes  cantidades  es  nociva  para  la  salud.  Químicamente  queda  descrita  de  la  siguiente  manera:    

𝐸                              

!! 𝐷 + 𝛽!!

 !!!!  

 Rayos   gamma  (𝛾):  Corresponde  a  una  emisión   electromagnética   de   alta  energía  y  frecuencia.  Al  no  poseer  masa,  es   capaz   de   penetrar   en   grandes  estructuras,   siendo   necesario   un   muro  de  concreto  de  varios  metros  de  espesor  para  detenerla.  Tiene  un  bajísimo  poder  ionizante,   siendo   nociva   para   la   salud  debido   a   mutaciones   a   nivel   celular.  Queda   descrita   químicamente   de   la  siguiente  manera.  

 𝐸                              

!! 𝐸 + 𝛾(𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎)!

!    Luego   de   haber   entendido   qué   tipos   de   partículas   es   capaz   de   emitir   un   átomo,   es  necesario   recalcar   que   nunca   emite   dos   tipos   de   radiaciones   distintas  simultáneamente.  

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Dato  puntaje:  El  sulfuro  de  zinc  (ZnS)  brilla  en  presencia  de  radiación.      Transmutación  nuclear.    

Cuando  un  núcleo  no  se  encuentra  dentro  del  cinturón  de  seguridad,  hará  lo  posible  por  encontrarse  en  él,  ya  sea  emitiendo  partículas  para  ganar/perder  protones.  

 Emisión   de   partícula   alfa:   Cuando   un   núcleo   inestable   emite   una   partícula   alfa,   el  elemento  original  transmuta  a  otro  de  menor  número  atómico.  Un  ejemplo  de  ello  es:      

𝑈                              

!"!"# 𝑇ℎ +   𝛼!!!"

!"#    Ésta   es   la   descomposición   del   Uranio   en   Torio,   pasando   de   un  núcleo  inestable  a  uno  de  mayor  estabilidad.    Emisión   de   un   electrón:  Cuando  el  número  de  neutrones  es  muy  grande  en  comparación  al   de   protones   (estando   así   fuera   del   cinturón   de   estabilidad),   el   núcleo   para   ganar   más  estabilidad  desintegra  un  neutrón  convirtiéndolo  en  un  protón  y  un  electrón  el  cual  es  emitido  como  una  radiación  beta.  Un  ejemplo  de  ello  es:  

𝑈!"!"#                                

𝑁𝑝 + 𝛽!!  

!"!"#  

 Ésta  es  la  descomposición  de  Uranio  en  Neptunio  ganando  así  un  protón  más  y  disminuyendo  la  diferencia  entre  neutrones  y  protones.    Emisión   de   un   positrón:   Cuando   el   número   de  protones   es   mayor   que   el   de   neutrones   (quedando   así  fuera   del   cinturón   de   estabilidad)   el   núcleo   emite   un  positrón  (o  un  anti-­‐electrón)  el  cual  es  una  partícula  beta  pero  con  carga  positiva.  Un  ejemplo  de  ello  es:  

𝑈!"!"#                                

𝑃𝑎 + 𝛽!  !"!"#  

 Ésta   es   la   descomposición  de  Uranio   en  Protactinio,   perdiendo   así   un  protón  pero   ganando  estabilidad.    Dentro  de  las  descomposiciones  radiactivas  la  ley  de  la  conservación  de  la  masa  se  tiene  que  cumplir.  Es  por  ello,  que  el  número  másico  a  un  lado  de  la  ecuación  debe  ser  el  mismo  que  al  otro  lado  de  la  ecuación,  y  similarmente  debe  ocurrir  con  el  número  atómico.  Una  descomposición  no  balanceada  sería  la  siguiente:    

𝑈                              

!"!"# 𝑃𝑢 +   𝛽!!

 !"!"#  

 Pues  a  la  izquierda  hay  92  protones,  mientras  que  a  la  derecha  sólo  hay  94  –  1  =  93.  Así  que  al  ajustar  nos  quedaría:    

𝑈                              

!"!"# 𝑃𝑢 +  2 𝛽!!

 !"!"# ,    ajustada.  

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 III]  Reacciones  nucleares    

En   los  principios  de   la  química  existían  alquimistas,   los   cuales  pensaban  que  podían  transmutar  elementos  entre  sí.  El  objetivo  de  ello  era  la  generación  de  oro  a  través  de  plomo.  ¡Qué   hubiesen   pensado   si   les   dijéramos   que   sí   se   puede!   Que   hay   sustancias   que   lo   hacen  constantemente  y  de  forma  natural.      

Fisión   nuclear:   Es   la   separación   de   un   átomo  pesado  en  dos  átomos  más   livianos,   junto  con  una  liberación  de  energía.    Las   bombas   atómicas   fueron   creadas   bajo   este  principio,   creando   un   efecto   en   cadena   en   la  desintegración   de   núcleos   pesados.   Para   provocar  la  fisión  de  un  núcleo,  basta  con  bombardearlo  con  neutrones,   los   cuales   al   chocar   contra   el   núcleo   a  una   gran   velocidad   logran   descomponer   la  estabilidad  y  provocar  una  fisión.    Dato   puntaje:   Cuando   se   bombardea   un   núcleo  de  uranio  con  un  neutrón,  éste   luego  de   fisionarse  

libera  tres  neutrones,  los  cuales  pueden  dividir  a  tres  átomos  de  uranio  más.    

Fusión   nuclear:   Es   la   unión   de   dos   átomos   livianos   formando   así   un   átomo   de   mayor  tamaño.  En  esta  unión  se  libera  una  gran  cantidad  de  energía,  siendo  varias  veces  mayor  que  la   energía   liberada   en   la   fisión   nuclear.   Debido   a   la   alta   temperatura   necesaria   para   que  ocurra,  en  la  Tierra  aún  no  podemos  tener  reactores  de  fusión.    

Dato   puntaje:  Sabías  que  la  luz  y  energía  emitida  por  las  estrellas  se  debe   a   la   fusión   nuclear.   En   la   mayoría   de   ellas,   dos   núcleos   de  hidrógeno   se   unen   formando   un   átomo   de   helio   y   liberando   mucha  energía  en  forma  de  radiación.  

 Es  necesario  recalcar  que  no  todas  las  desintegraciones  ocurren  de  forma  simultánea.    

Si  tomamos  una  muestra  de  material  radiactivo,  éste  irradiará  cada  cierto  tiempo,  perdiendo  masa   o   bien   transformándose   en   un   elemento   distinto   (según   las   ecuaciones   vistas  anteriormente).  Esto  se  conoce  como  decaimiento  radiactivo.  Es  por  eso,  que  cuando  ocurren  desastres   que   involucran   un   derrame   de   sustancias   radiactivas   hay   que   esperar   mucho  tiempo  para  que  la  zona  deje  de  ser  peligrosa,  pues  primero  es  necesario  que  gran  parte  de  la  sustancia  radiactiva  deje  de  serlo.  

 En  base  a  esto,  nace  el  concepto  de  vida  media.  La  vida  media  es  el  tiempo  necesario  

para   que   una   sustancia   radiactiva   pierda   la   mitad   de   su   masa   a   través   de   emisiones   de  partículas  (decaimiento  radiactivo).    

 

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Ejemplo:  Si   tenemos  100  g  de  una  sustancia  con  una  vida  media  de  3  días,  significa  que  pasados  tres  días  quedarán  sólo  50  g  de  dicha  sustancia,  y  pasados  tres  días  más  quedarán  sólo  25  g.    

IV]  Usos  de  la  radiación.       Luego  de  haber  explicado  qué  tipos  de  fenómenos  nucleares  existen,  veremos  para  qué  los  usamos  en  nuestra  vida  y  de  qué  manera  nos  ayudan.    Reactores   nucleares:   Los   reactores   nucleares   son   centrales   encargadas   de   producir  

electricidad   gracias   a   la   energía  emitida   por   la   fisión   de   núcleos  pesados,   generalmente   de   uranio.  Este  proceso  consiste  en  crear  una  reacción   de   fisiones   en   cadena  controlada   (con   barras   de   grafito  las   cuales   pueden   absorber  neutrones,   los   encargados   de  producir   fisiones).   Con   la   energía  sacada  de  las  fisiones,  se  calientan  grandes   cantidades   de   agua,   la  cual   al   evaporarse   mueve  gigantescas   turbinas,   así  produciendo   electricidad.   A   pesar  de   la   creencia   popular   que  

consiste   en   considerar   como   peligrosos   los   reactores,   un   correcto   uso   de   ellos   no   conlleva  malas  consecuencias.  

Dato  puntaje:  Sabías  que  en  un  reactor,  la  energía  aprovechada  de  un  gramo  de  uranio  equivale  a  la  energía  extraída  de  2500  kg  de  carbón.  

 Bombas  nucleares:  Aprovechándose  del  efecto  en   cadena   de   la   fisión   nuclear,   gobiernos   mal  administrados  hicieron  que  científicos  crearan  la  bomba  atómica.     El  poder  destructivo   inmediato  de   las   bombas   es   inmenso,   dejando   inhabitables  lugares   durante   años,   pues   la   radiación   es   un  enemigo   invisible.   A   pesar   de   saber   que   estas  bombas   son   capaces  de  una  destrucción  masiva,  aún  no  existe  un  acuerdo  mundial  que  prohíba  de  manera  tajante  la  creación  de  nuevas  bombas  y  la  desactivación  de  bombas  ya  construidas.    

Dato  puntaje:  Sabías  que  el  poder  destructivo  de  una  bomba  atómica  como  las  lanzadas  en  Japón  durante  la  segunda  guerra  mundial  tenían  un  poder  destructivo  similar  al  de  más  de  10000  toneladas  de  TNT.  

     

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V]  Aplicaciones  en  la  vida  diaria    

A  pesar  de  no  notar  la  radiación  en  nuestra  vida  diaria,  constantemente  estamos  siendo  bombardeados  por  ella.  Radiación  natural  como  rayos  UV,  luz  visible,  infrarroja,  ultravioleta.  Radiación  artificial  también  nos  irradia  a  diario,  por  ejemplo  las  ondas  de  radio  y  microondas.  Como  vimos,  no  todo  lo  relacionado  con  la  radiación  es  malo  y  a  continuación  veremos  los  beneficios  que  nos  trae.  

 (i) Irradiación  de  los  alimentos:  Bajo  pequeñas  cantidades,  es  posible  

desinfectar  alimentos,  reduciendo  la  cantidad  de  bacterias.  En  general,  la  irradiación  de  los  alimentos  permite  aumentar  el  tiempo  de  conservación  de  éstos.    

(ii) Tratamientos  médicos:  La  medicina  moderna  usa  mucho  la  radiación  dentro  de  sus  tratamientos  y  diagnósticos.  Desde  tomarnos  radiografías  (Rayos  X)  hasta  tratamientos  para  el  cáncer,  la  radiación  controlada  puede  ser  útil  para  nosotros.  

   

(iii) Creación  de  nuevas  especies  vegetales:  Como  la  radiación  conduce  a  mutaciones,  muchas  veces  se  juega  con  éstas  intentando  obtener  especies  mejoradas  de  plantas.  

 (iv) Datación  arqueológica:  Todos  los  seres  vivos,   a  

lo  largo  de  su  vida  van  incorporando  a  sus  cuerpos  carbono-­‐14  en  una  concentración  definida.  Este  isótopo  del  carbono  tiene  vida  media  calculada,  con  la  cual  se  puede  saber  la  antigüedad  de  los  objetos  de  naturaleza  orgánica  con  un  simple  cálculo  matemático.  

         

No  está  demás  decir  que  numerosos  desastres  nucleares  han  asolado  al  mundo.  No  sólo  las  bombas  atómicas  han  afectado  las  zonas  donde  han  explotado,  sino  que  han  aumentado  los  niveles  de  radiación  atmosféricos  hasta  niveles  alarmantes.  El  desastre  de  Chernóbil  dejó  numerosas  generaciones  con  daños  genéticos,  junto  con  una  gran  región  de  Ucrania  inhabitable  por  miles  de  años.  

Es  por  ello,  que  es  necesario  ¡ahora!  políticas  mundiales  que  apunten  al  buen  uso  de  la  energía  nuclear.