Apuntes sobre Fenómenos Nucleares

5/14/2018 Apuntes sobre Fenómenos Nucleares - slidepdf.com

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Introduccióna losFenómenos

Nucleares



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Partículas subatómicas

En los modelos más actuales destacan, sobre todo, tres partículas fundamentalesque conforman el átomo: protones, neutrones y electrones.

Las dos primeras se encuentran en una estructura que se ubica en el centro del átomo,llamada núcleo, mientras que los últimos se encuentran rodeando al núcleo en lallamada electrosfera.Cada partícula subatómica tiene masa y carga, expresada en el Sistema Internacional(S.I) de unidades, en Kilógramos y Coulomb, como muestra la siguiente tabla.Sin embargo, como forma de simplificar la notación de dichos valores y dado que losvalores de carga y masa son similares, se los representa con “1”.

Partícula Carga [C] Masa [Kg] Carga Masa Símbolo

Protón 1.6021·10-19

1.6725x10-27

1 1 1p1

Electrón -1.6021·10-19 9.1091x10-31 -1 1/1840 -1e0

Neutrón 0 1.6748x10-27 0 1 0n1

Definamos dos conceptos esenciales que caracterizan al átomo de cualquierelemento:

Número atómico (Z): Corresponde al número de protones que contiene el átomo. Si el

átomo es eléctricamente neutro, el número atómico corresponderá además al númerode electrones que posee el átomo.

Número Másico (A): Corresponde a la cantidad de protones y neutrones que posee elátomo.

Notación de Z y A

Supongamos que representamos con X el símbolo de un elemento. Los valores deZ y A podemos anotarlos de las siguientes maneras:

Tipos de átomos

Según los valores de Z y A podemos clasificar los átomos en tres categorías:

a.- Isótopos: Corresponde a átomos que tienen igual Z, pero distinto A.Cada elemento químico en la tabla periódica presenta una cantidad variadade estos isótopos, tanto estables como inestables.Ejemplos: 1H1, 1H2, 1H3; 6C12, 6C13, 6C14

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b.- Isóbaros: Corresponde a átomos que tienen distinto Z, pero igual A.Ejemplo: 7N14 y 6C14; 17Cl33, y 16S33

c.- Isótonos: Corresponde a átomos que presentan la misma cantidad de neutrones.Ejemplo: 5B13, y 6C13; 9F20, y 10Ne21

Además, existen otras dos clases de átomos relacionados con la pérdida o ganancia deelectrones.

d.- Cationes: Corresponde a átomos que han perdido uno a o más electrones.Presentan

carga positiva.Ejemplos: Fe3+, Ca2+, Na+

e.- Aniones: Corresponde a átomos que han ganado uno o más electrones. Presentancarga negativa.Ejemplos: S2-, Cl-, Br-

Estos dos últimos se denominan genéricamente iones.

Determinación del Peso atómico de un elemento

Es interesante notar que el número másico (A) del átomo de un elemento es unnúmero entero positivo, mientras que el peso atómico (P.A), que corresponde a losgramos del elemento que existen en un mol del mismo, es un número fraccionario.Esto se explica a partir de las abundancias relativas de los elementos en lanaturaleza.Cada elemento de la tabla periódica presenta diversos isótopos, todos ellos en unaproporción que refleja su presencia en la naturaleza.Por ejemplo, el magnesio (Mg) de Z = 12, se presenta en la naturaleza en tres isótopos:

12Mg24, 12Mg25 y 12Mg26. Todos ellos no están en la naturaleza en la misma proporción,como lo indica la siguiente tabla.

Por lo tanto, la determinación del peso atómico del magnesio, se logra a través deun promedio ponderado entre el valor del número másico de cada isótopo multiplicado



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por su abundancia (que se expresa porcentualmente). La suma de los productos sedivide luego por 100.

[g/mol]

Naturaleza de las reacciones nucleares

Con excepción del hidrógeno, todos los núcleos contienen dos tipos de partículasfundamentales, los protones y los neutrones. Algunos núcleos son inestables, yespontáneamente emiten partículas y/o radiación electromagnética. A este fenómeno sele llama radiactividad . Todos los elementos que tienen número atómico mayos de 83son radioactivos. A esto, también se le denomina radiactividad natural , dado que esun fenómeno que ocurre en forma espontánea.

Existe otro tipo de radiactividad, conocida como transmutación nuclear , que seorigina al bombardear el núcleo con neutrones, protones y otros núcleos. A estos

fenómenos se les suele denominar radiactividad artificial , por las características quela diferencian del otro proceso.El decaimiento radiactivo y la transmutación nuclear son reacciones nucleares, queson muy distintas de las reacciones químicas ordinarias. En la siguiente tabla seresumen las diferencias.

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Balance de las ecuaciones nucleares

Con el fin de estudiar con cierta profundidad, es preciso entender cómo seescriben y balancean sus ecuaciones. La escritura de una ecuación nuclear es algodistinta a la de las ecuaciones de las reacciones químicas. Además de escribir lossímbolos de los distintos elementos químicos, también se deben indicar, de maneraclara, los protones y neutrones que hay en cada especie.

Las partículas elementales se representan con los siguientes símbolos:

o o o oProtónneutrón electrón positrón partícula α

El exponente denota el número de masa (el número total de neutrones yprotones) y el subíndice representa el número atómico (el número de protones).

Al balancear cualquier ecuación nuclear se deben cumplir las siguientes reglas:

El número total de protones y neutrones en los productos y reactantes debe ser elmismo (para conservar el número de masa).

El número total de cargas nucleares en los productos y reactantes debe ser elmismo (para conservar el número atómico).

Ejemplo1. Balancee la ecuación y encuentre la especie faltante

Si miramos los números que están en los exponentes o superíndices (número másico),hay a la izquierda de la ecuación, 212 y a la derecha sólo 208. Por lo tanto, para que seigualen dichas cantidades debemos agregar 4.

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En la parte de los subíndices, hay 84 a la izquierda, mientras que hay 82 a la derecha.Para que se iguales debemos agregar 2 a la derecha.Escribámoslo

De la lista dada más arriba, veremos que corresponde a una partícula alfa (α). Por lotanto la ecuación completa y balanceada sería

Ejemplo 2. Balancee la ecuación y determine la especie faltante

En la parte superior de los símbolos vemos que hay 137 a ambos lados. Para que estosea así, el superíndice de X debe ser 0.Por otra parte, en los subíndices tenemos 55 a la izquierda y 56 a la derecha. Para quese logre la igualdad, debemos sumarle -1 al 56, o sea, el subíndice de X debe ser -1.

La ecuación queda

La partícula que presenta esa propiedades es o .

Entonces, la ecuación balanceada y completa será

Cinética de la desintegración radiactiva

Todos los procesos de desintegración radiactiva siguen cinéticas de primer orden.Por tanto, la velocidad de decaimiento radiactivo en cualquier tiempo t está dada por

Velocidad de desintegración en un tiempo t = λN

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Donde λ es una constante de velocidad de primer orden y N el número de núcleos

radiactivos que hay en un tiempo t . (Aquí se utiliza λ en lugar de k para la constante develocidad según la notación utilizada por los científicos nucleares)

Entonces, el número de núcleos radiactivos a tiempo cero (N0) y tiempo t (Nt ) es

A partir de esta relación podemos calcular el tiempo que toma tener la mitad de losnúcleos originales o de otra manera, a qué tiempo, la mitad de los núcleos radiactivoshabrán decaído. Esto se denomina vida media o tiempo de vida media.

Esto lo podemos calcular haciendo la siguiente relaciónA un tiempo t½, la mitad de los núcleos radiactivos se habrán desintegrado. Por lo tanto,

Reemplazando en la expresión anterior

Usamos las propiedades de los logaritmos para reescribir la expresión

El ln(1) = 0. Luego, multiplicamos la igualdad por -1.

Despejando t½ tenemos

Como el ln2=0.693, la expresión del tiempo de vida media de un elemento radiactivo es

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Principales procesos nucleares

1.- Emisión beta o electrónica

Este decaimiento lo experimentan los núcleos en que la proporción de neutroneses mayor que la de protones.Ejemplo

2.- Emisión positrónica

El positrón es una partícula que tiene la misma masa del electrón, pero con cargapositiva. Se le conoce también como la antipartícula del electrón.Ejemplo:

3.- Captura electrónica

En este proceso el núcleo absorbe un electrón extranuclear de la órbita másinterna, transformando un protón en un neutrón con emisión de un neutrino.Un neutrino, v , es una partícula subatómica, neutra, de masas menores a diez mil vecesla masa de los electrones.Ejemplo:

4.- Activación neutrónica

Consiste en la conversión de un isótopo estable en una especieradiactivamediante el bombardeo de neutrones.Ejemplo:

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5.- Emisión alfa

La primera vez que se detectaron partículas α, fue a partir de las emisiones dematerial de uranio. Esta determinación fue realizada por el físico francés HenriBecquerel, quien sometió las emisiones de uranio a la acción de campos

electromagnéticos, identificando tres tipos de emisiones. Una de ellas de naturalezapositiva, la denominó, rayos α, otra de naturaleza negativa la denominó rayos β y latercera de ellas que no era afectada por el campo electromagnéticos, la denominó rayosγ.

Ejemplo:

Estabilidad nuclear

El núcleo ocupa una porción muy pequeña del volumen total de un átomo, perocontiene la mayor parte de su masa porque allí residen los protones y los neutrones.Si suponemos un núcleo con 30 protones y 30 neutrones, éste tendrá un radioaproximado de 5 ·10-3 pm (1pm equivale a 1 · 10-12 m) y una masa de 1 · 10-22 g. Como ladensidad = masa/volumen y asumiendo que el núcleo tiene una forma esférica

Hacemos el cálculo

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Ésta es una densidad muy grande. La densidad más alta que se conoce para unelemento es de 22,6 g/cm3, que corresponde al Osmio (Os); así que el núcleo atómico esaproximadamente ¡¡9 · 1012 veces (o 9 billones de veces) más denso que el elementomás denso que se conoce!!

La enorme densidad del núcleo nos lleva a preguntar qué es lo que mantienefuertemente unidas a las partículas. De acuerdo con la ley de Coulomb, las cargasiguales se repelen y las cargas opuestas se atraen, y es fácil imaginar que exista unafuerte repulsión entre los protones, sobre todo si se considera que deben estar muy

juntos. De hecho esto es lo que sucede; sin embargo, además de la repulsión, tambiénhay atracciones de corto alcance entre los mismos protones, entre protones yneutrones, y entre los neutrones.La estabilidad de cualquier núcleo depende de la diferencia entre las fuerzas derepulsión coulómbicas y las fuerzas de atracción de corto alcance. Si la repulsión esmayor que la atracción, el núcleo se desintegra y emite partículas y (o) radiación. Si lasfuerzas de atracción predominan, el núcleo es estable.

El factor principal que determina la estabilidad del núcleo es la relación

neutrón/protón (n/p). Para los átomos estables de elementos que tienen númeroatómico bajo, la proporción n/p se acerca a 1. Conforme aumenta el número atómico, larelación neutrón/protón tiende a ser mayor que 1. Esta desviación se debe a que senecesita un mayor número de neutrones para contrarrestar las fuertes repulsiones quehay entre los protones para poder estabilizar al núcleo.

Las siguientes reglas ayudan a predecir la estabilidad nuclear:

Los núcleos que contienen 2, 8, 20, 50, 82 o 126 protones o neutrones suelen ser

más estables que los núcleos que no poseen estos números. Así por ejemplo,existen 10 isótopos estables del estaño (Sn) con número atómico de 50, y sólodos isótopos estables del antimonio (Sb) con número atómico 51. Los números 2,8, 20, 50, 82 y 126 se llaman números mágicos. La importancia de estosnúmeros para la estabilidad nuclear es similar a la del número de electronesasociados con los gases nobles estables (esto es, 2, 10, 18,36, 54 y 86electrones).

Los núcleos con números pares de protones y neutrones son, por lo general, másestables que los que tienen números nones de estas partículas.

Todos los isótopos de los elementos que tienen número atómico mayor de 83 son

radiactivos. Todos los isótopos del tecnecio (Tc, Z = 43) y del prometió (Pm, Z =61) son radiactivos.



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El siguiente gráfico representa el número de neutrones frente al número deprotones de varios isótopos. Los núcleos más estables se localizan en una zona llamadacinturón de estabilidad . La mayoría de los núcleos radiactivos se encuentran fuerade este cinturón.

Por arriba de éste, los núcleos tienen una proporción neutrón/protón mayor que aquellosque se encuentran dentro del cinturón (y que tienen el mismo número de protones).Para disminuir esta proporción (y así moverse hacia el cinturón de estabilidad), estosnúcleos deben emitir una partícula beta. Esta emisión beta lleva al aumento deprotones en el núcleo y al mismo tiempo disminuye el número de neutrones; porejemplo:



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Abajo del cinturón de estabilidad, los núcleos tienen una proporción neutrón/protónmenor que aquellos que están en el cinturón (y que tienen el mismo número deprotones). Para aumentar esta proporción /y así acercarse al cinturón de estabilidad),

estos núcleos emiten un positrón o capturan un electrón. La siguiente reacciónejemplifica la emisión de un positrón:

La captura de un electrón-por lo general un electrón 1s-se lleva a cabo por el núcleo. Elelectrón capturado se combina con un protón para formar un neutrón, de modo que elnúmero atómico disminuye una unidad, pero el número másico no cambia. Este proceso

tiene el mismo efecto neto que la emisión de un positrón:

Energía de unión nuclear

La energía de unión nuclear es una medida cuantitativa de la estabilidadnuclear, y es la energía necesaria para romper un núcleo en sus protones y neutrones.Esta cantidad representa la conversión de masa en energía que sucede durante unareacción nuclear exotérmica.

El concepto de energía de unión nuclear se originó de los estudios de laspropiedades nucleares que demuestran que las masas de los núcleos siempre sonmenores que la suma de las masas de los nucleones (un término que define al conjunto

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de protones y neutrones del núcleo). Por ejemplo, el isótopo tiene una masa atómica de18.9984 uma. El núcleo tiene 9 protones y 10 neutrones, es decir, 19 nucleones. Con losdatos conocidos de la masa del átomo de (1.007825 uma) y del neutrón (1.008665uma), se puede llevar a cabo el siguiente análisis.

La masa de 9 átomos de (es decir, la masa de 9 protones y 9 electrones) es

y la masa de 10 neutrones

Por tanto, la masa atómica de un átomo de , calculada a partir de los números conocidosde electrones, protones y neutrones es

que supera en 0.1587 uma a la masa medida para el (18.9984 uma).

A la diferencia entre la masa de un átomo y la suma de las masas de sus

protones, neutrones y electrones se le llama defecto de masa. La masa faltante sepuede explicar por la teoría de la relatividad, que afirma que la pérdida de masa semanifiesta como energía liberada (en forma de calor) a los alrededores. Porconsiguiente, la formación del isótopo es exotérmica. De acuerdo con la relación de

equivalencia entre masa y energía desarrollada por Einstein (E = m·c2 ), es posiblecalcular la cantidad de energía liberada.

Tenemos

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donde E y m se definen como:Δ Δ

E = energía del producto – energía de los reactivosΔ

m = masa del producto – masa de los reactivosΔ

Entonces, para el cambio de masa se tiene

mΔ = 18.9984 uma –19.15708 uma

mΔ = -0.1587 uma

Como tiene una masa menor que la calculada a partir del número de electrones ynucleones presentes, m es una cantidad negativa. Por consiguiente, E también es unaΔ Δ cantidad negativa; es decir, la energía se libera a los alrededores tras la formación delnúcleo de flúor-19. Así que E se calcula del siguiente modo:Δ

EΔ = (-0.1587 uma)(3.00 × 108 m/s)2

EΔ = -1.43 × 1016 uma·m2/s2

Aplicando los factores de conversión

1 kg = 6.022 × 1026 uma

1 J = 1 kg m2

/s2

se obtiene que

EΔ = -2.37 × 1011 J

Ésta es la cantidad de energía que se libera cuando se forma un núcleo de flúor-19 apartir de 9 protones y 10 neutrones. La energía de unión nuclear de este núcleo es de

2.37 × 10-11 J, y representa la cantidad de energía necesaria para descomponer el núcleoen protones y neutrones individuales. Cuando se forma un mol de núcleos de flúor, porejemplo, la energía liberada es

EΔ = (-2.37 × 10-11 J)( 6.022 × 1023 /mol)EΔ = -1.43 × 1013 J/mol

EΔ = -1.43 × 1010 kJ/mol

Por consiguiente, la energía de unión nuclear es 1.43 × 1010 kJ por cada mol de núcleosde flúor-19, una cantidad enorme si se considera que las entalpías de las reaccionesquímicas ordinarias son de sólo 200 kJ. Este procedimiento se aplica para calcular laenergía de unión nuclear de cualquier núcleo.

Entonces, la energía de unión nuclear es la medida de la estabilidad de un núcleo. Sinembargo, cuando se compara la estabilidad de dos núcleos cualesquiera se debe tomar

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en cuenta que tienen distinto número de nucleones; por esta razón, tiene más sentidoutilizar la energía de unión nuclear por nucleón, que se define como

Para el núcleo del flúor-19,



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La energía nuclear por nucleón permite comparar la estabilidad de todos los núcleos conuna base común. El gráfico anterior muestra la variación de la energía de unión nuclearpor nucleón en función del número de masa. Como se aprecia, la curva aumentabruscamente. Las energias de unión por nucleón más altas corresponden a oselementos que tienen un número de masa intermedio –entre 40 y 100—, y son mayorespara los elementos de la región del hierro, cobalto y níquel de la tabla periódica. Estosignifica que las fuerzas de atracción neta entre las partículas (protones y neutrones)son mayores para los núcleos de estos elementos.

Radiactividad natural



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Los núcleos que están fuera del cinturón

de estabilidad y los que tienene más de 83 protones tienden a ser inestables. Laradiactividad es la emisión espontánea de partículas o de radiación electromagnética, o

de ambas, por estos núcleos. Los principales tipos de radiación son: las partículas α (el

núcleo de helio con dos cargas, He2+), las partículas (o electrones), los rayosβ γ , ondaselectromagnéticas de onda muy corta (0.1 a 10-4 nm), la emisión de positrones y lacaptura de electrones.

La desintegración de un núcleo radiactivo suele ser el comienzo de una serie de

desintegración radiactiva, es decir, una secuencia de reacciones nucleares que

culmina en la formación de un isótopo estable.

En el esquema de la derecha se muestra la desintegración (decaimiento) del isótopo de

U-238. Este isótopo se encuentra en forma natural.Este esquema de desintegración que ocurre en 14 pasos se conoce como serie de

desintegración del uranio.



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Al seguir la serie a través de sus sucesivas transformaciones podemos ver al isótopo alque decae y la partícula que emite en el proceso.

Series similares se verifican para el Torio (Th) y Neptunio (Np).

Transmutación nuclear

La química nuclear sería un campo limitado si sólo se dedicara a estudiar loselementos radiactivos naturales. En este sentido, un experimento que realizó Rutherforden 1919, sugirió que era posible producir radiactividad por medios artificiales. Cuando

Rutherford bombardeó muestras de nitrógeno con partículas α, se llevó a cabo lasiguiente reacción:

Con la emisión de un protón se formó el isótopo de oxígeno-17. Esta reacción demostró,por primera vez, que era posible transformar un elemento en otro mediantetransmutación nuclear. A diferencia de la desintegración radiactiva, este proceso resultade la colisión de dos partículas. La reacción anterior se abrevia como

Aunque los elementos ligeros no suelen ser radiactivos, pueden adquirir esta propiedadal bombardear sus núcleos con las partículas apropiadas. Por ejemplo, el tritio seprepara mediante el siguiente bombardeo:

El tritio se desintegra con la emisión de partículas , con un tiempo de vida media deβ

12.5 años.

Muchos isótopos sintéticos se preparan empleando neutrones como proyectiles.Este método es en particular adecuado porque los neutrones no llevan cargas y, por lotanto, no son repelidos por los “blancos”: los núcleos. Por el contrario, si los proyectiles

son partículas con carga positiva (protones o partículas α), deben tener una energíacinética considerable para vencer la repulsión electrostática entre ellas mismas y losátomos blanco.Ejemplo:

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Los campos eléctricos y magnéticos de un acelerador de partículas aumenta laenergía cinética de las especies cargadas para favorecer la reacción. Producto de esto,las partículas se aceleran con una trayectoria en espiral. Cuando alcanzan la energíasuficiente para iniciar la reacción nuclear deseada, se conducen fuera del aceleradorpara que hagan colisión con la sustancia blanco.En la actualidad es factible acelerar las partículas a velocidades por encima del 90% develocidad de la luz. Los físicos utilizan las partículas extremadamente energéticasgeneradas en los aceleradores para romper los núcleos atómicos en fragmentos. Elestudio de estos fragmentos proporciona información valiosa acerca de la estructura yde las fuerzas de unión en el núcleo.

Los elementos transuránicos



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Los aceleradores de partículas hicieron posible la síntesis de elementos con

números atómicos mayores de 92, llamados elementos transuránicos. La tablaanterior muestra algunos de los elementos sintetizados.

Fisión nuclear

En el proceso de fisión nuclear se divide un núcleo pesado (número de masa

> 200) para formar núcleos más pequeños de masa intermedia y uno o más neutrones .Este proceso libera gran cantidad de energía debido a que el núcleo pesado es menosestable que sus productos.La primera reacción de fisión nuclear que se estudió fue la del uranio-235 bombardeadacon neutrones lentos, cuya velocidad es comparable a la de las moléculas del aire atemperatura ambiente. En estas condiciones, el uranio-235 experimenta una fisiónnuclear.En realidad, esta reacción es muy compleja, ya que en los productos de fisión nuclear seencuentran más de 30 elementos distintos cuyos números másicos estan entre los 80 y

150, aproximadamente.La siguiente es una reacción representativa

Aunque esposible provocar una fisión en muchos núcleos pesados, sólo la fisión deluranio-235 (que se encuentra en forma natural) y la del isótopo artificial plutonio-239tienen cierta importancia práctica.

La tabla de la izquierda muestra las energías de

unión nuclear del uranio-235 y de sus productos de fisión.

La energía de unión nuclear por nucleón para el uranio-235 es menor que la suma de lasenergías de unión del estroncio-90 y del xenón-143. Por consiguiente, cuando un núcleo

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de uranio-235 se divide en dos núcleos más pequeños, se libera cierta cantidad deenergía. La magnitud de esta energía se puede calcular a partir de la diferencia entre lasenergías de unión de los reactivos y los productos

(1.23 × 10-10+1.92 × 10-10)J – (2.82 × 10-10)J

= 3.3 × 10-11

J por núcleo de uranio-235

Para 1 mol de uranio-235, la energía liberada sería

(3.3 × 10-11 J)(6.02 × 1023 1/mol)

= 2.0 × 1013 J/molÉsta reacción es demadiado exotérmica, si se considera que el calor de combustión de

una tonelada de carbón es de sólo 5 × 107 J.

La característica sobresaliente de la fisión del uranio-235no es la enormecantidad de energía liberada, sino el hecho de que la fisión produce más neutrones quelos que se capturaron al inicio del proceso. Por esta propiedad es posible obtener unareacción en cadena, es decir, una secuencia de reacciones d fisión nuclear

autosuficientes.Los neutrones generados en las etapas iniciales de la fisión pueden inducir fisión enotros núcleos de uranio-235, que a su vez producen más neutrones, y así sucesivamente.En menos de un segundo, la reacción se vuelve incontrolable, liberando una grancantidad de calor a los alrededores.

Para que se lleve a cabo una reacción en cadena, es preciso que la muestra tengasuficiente uranio-235 para capturar los neutrones; de lo contrario, muchos neutronesescaparán de la muestra y la reacción en cadena no progresará. En esta situación, sedice que la masa de la muestra es subcrítica. Sin embargo, cuando la cantidad demuestra posee una cantidad de material fisionable igual o mayor que la masa crítica,es decir, la mínima masa del material fisionable necesaria para generar una reacción

nuclear en cadena, los núcleos de uranio-235 capturarán la mayor parte de losneutrones y la reacción en cadena se producirá.



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La bomba atómica

La fisión nuclear se aplicó por primera vez para fabricar la bomba atómica. Elfactor crucial en el diseño de la bomba es su masa crítica. Una bomba atómica pequeñaequivale a 20000 toneladas de TNT. Ya que una tonelada de este material libera

alrededor de 4 × 109 J de energía, 20000 toneladas producirán 8 × 1013 J. Antes vimos

que durante la fisión de 1 mol de uranio, o 235 g, de uranio-235 se liberan 2.0 × 1013 Jde energía. Entonces, la masa del isótopo presente en una bomba pequeña debe ser depor lo menos

Por razones obvias, una bomba atómica nunca se ensambla con la masa crítica ya

instalada, más bien, se forma mediante un explosivo convensional, como el TNT, para

forzar la unión de las secciones fisionables. Los neutrones de una fuente situada al

centro del dispositivo disparan la reacción en cadena. El uranio-235 fue el material

fisionable empleado en la bomba lanzada sobre Hiroshima, Japón, el 6 de agosto de

1945. En la bomba que se hizo explotar en Nagasaki tres días después, se utilizó

plutonio-239. Las reacciones de fisión que se generaron fueron similares en ambos

casos, como lo fue la magnitud de la destrucción.

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Reactores nucleares

Una aplocación de la fisión nuclear con fines pacíficos, aunque controvertida, es

la generación de electricidad aprovechando el calor de una reacción en cadenacontrolada en un reactor nuclear. Los reactores nucleares suelen proporcionar alrededor

del 20% de la energía eléctrica de Estados Unidos. Ésta es una contribución pequeña,

aunque nada despreciable, para la producción de energía de este país.

Reactores de agua ligera

Gran parte de los reactores nucleares que se usan en Estados Unidos sonreactores de agua ligera. El diagrama esquemático, más abajo, muestra la estructurageneral de este tipo de reactores.La velocidadde los neutrones es un aspecto importante del proceso de fisión. Losneutrones lentos dividen el núcleo de uranio-235 con más eficiencia que los neutronesrápidos. Como las reacciones de fisión son demasiado exotérmicas, los neutronesgenerados suelen alcanzar altas velocidades; para que sea más eficiente, es precisodisminuir su velocidad antes de utilizarlos para inducir la reacción nuclear.



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Para ello, los científicos utilizan sustancias que pueden reducir la energía cinética de los

neutrones, y que se conocen como moderadores. Un buen moderador debe satisfacervarios requisitos; no debe ser tóxico ni costoso (en virtud de que se necesitan grandes

cantidades), debe resistir la conversión a una sustancia radiactiva por bombardeo deneutrones; además, debe ser fluido para que también sirva como refrigerante. Ningunasustancia cumple con todos estos requisitos, aunque el agua es la que se acerca másque cualquiera de las otras sustancia que se han considerado. Los reactores nuclearesque utilizan agua como moderador se llaman reactores de agua ligera porque el es elisótopo más ligero del hidrógeno.

El combustible del reactor nuclear es uranio, casi siempre en forma de su óxidoU3O8. El uranio que se halla en forma natural contiene alrededor de 0.7% del isótopo deuranio-235, y es una concentración muy baja para mantener una reacción en cadena abaja escala. Para que un reactor de agua ligera opere con eficacia, el uranio-235 se

debe enriquecer hasta una concentración de 3 o 4%. En principio, la diferencia principalentre una omba atómica y un reactor nuclear estriba en que la reacción en cadena quese lleva a cabo en este último está bajo control permanente. El factor que limita lavelocidad de la reacción es en número de neutrones presentes, y se puede controlarbajando barras de cadmio o de boro entre los elementos combustibles. Estas barrascapturan los neutrones de acuerdo con las ecuaciones siguientes

donde γ denota los rayos gamma. Sin las barreras de control, el calor generado fundiríael centro del reactor y el material radiactivo se escaparía al medio ambiente.

Los reactores nucleares tienen sistemas de enfriamiento muy elaborados.

Absorben el calor que se desprende en la reacción nuclear y lo transfiren fuera delcentro del reactor, donde se utiliza para generar suficiente vapor para hacer funcionarun generador de electricidad. En este aspecto, una planta de energía nuclear essemejante a una planta de energía convencional que quema combustibles fósiles. Porello, la mayoría de las plantas de energía nuclear se construyen cerca de un río o lago;aunque desafortunadamente, este método de enfriamiento ocasiona contaminacióntérmica.Otro tipo de reactor nuclear es el de agua pesada (que usa deuterio, D2O), El D2O esmenos eficiente como moderador, por lo que no es necesario usar uranio-235enriquecido. Los reactores de cría, usan uranio-235 mezclado con uranio-238. Estainteracción produce plutonio-239 que se fisiona. Por lo tanto, estos reactores producenmás material fisionable del que consumen.

Fusión nuclear

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A diferencia del proceso de fisión nuclear, la fusión nuclear , es decir, la

combinación de pequeños núcleos en otros más grandes, está exenta, en gran parte, delproblema asociado al desecho de los desperdicios.Para loselementos más ligeros, la estabilidad nuclear aumenta con el número de masa.Este comportamiento suguiere que si dos núcleos ligeros se sombinan o se fusionanpara formar un núcleo más grande y más estable, se liberará una cantidad considerablede energía en el proceso. Ésta es la base de la investigación continua para elaprovechamiento de la fusión nuclear en la producción de energía.

La fusión nuclear es un proceso continuo en el Sol, el cual se compone principalmentede hidrógeno y helio. En su interior, donde la stemperaturas alcanzan cerca de 15millones de grados Celsius, se supone que se llevan a cabo las siguientes reacciones defusión:

Las reacciones de fusión suelen llamarse también reacciones termonucleares porquese llevan a cabo sólo a temperaturas muy elevedas.

Reactores de fusión

La preocupación principal al elegir el proceso de fusión nuclear adecuado para laproducción de energía es la temperatura necesaria para llevar a cabo el proceso.

Algunas reacciones promisorias son

Reacción Energía liberada

6.3 × 10-13 J

2.8 × 10-12 J

3.6 × 10-12 J

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Para superar las fuerzas de repulsión entre

los entre los núcleos, estas reacciones se llevan a cabo a temperaturasextremadamente altas, del orden de 100 millones de grados Celsius. La primerareacción es en particular atractiva porque la disponibilidad de deuterio es prácticamente

inagotable. El volumen total de agua en la Tierra es cercano a 1.5 × 1021 L. Dado que laabundancia natural del deuterio es de 0.015%, esta cantidad representa un total de 4.5

× 1021 g o 5.0 × 1015 toneladas. El costo que representa preparar el deuterio en mínimocomparado con el valor de la energía liberada en la reacción.

En contraste con el proceso de fisión, la fusión nuclear parace ser una fuente deenergía muy promisoria, al menos “en teoría”. Aunque la contaminación térmica pudiera

ser un problema, la fusión tiene las siguientes ventajas: 1) los combustibles son baratosy casi inagotables y 2) el proceso genera pocos desperdicios radiactivos. Si una máquinade fusión dejara de funcionar, se apagaría completa e instantáneamente, sin peligro deque se fundiera.

Si la fusión nuclear es tan especial, ¿por qué no existe al menos un reactor defusión que produzca energía? Aunque se pudiera disponer del conocimiento científicopara diseñarlo, aún no se han superado las dificultades técnicas. El problemafundamental es encontrar la forma de mantener unidos a los núcleos el tiemposuficiente y a la temperatura apropiada para que se lleve a cabo la fusión. Lasmoléculas no pueden existir a temperaturas cercanas a 100 millones de grados Celsius,

además, todos o la mayoría de los átomos quedarían despojados de sus electrones. Esteestado de la materia es una mezcla gaseosa de iones positivos y electronesconocida

como plasma. Lograr contener este plasma es una tarea formidable. ¿Qué recipientesólido puede existir a estas temperaturas? Ninguno, a menos que la cantidad de plasmasea pequeña; pero entonces, la superficie del sólido enfriaría de inmediato la muestra yapagaría la reacción de fusión. Este problema se puede resolver empleando unconfinamiento magnético. Como el plasma se compone de partículas cargadas quese mueven a velocidades elevadas, un campo magnético ejercería fuerza sobre él. Comolo muestra la figura anterior, el plasma confinado en un campo magnético complejo semueve a través de un túnel en forma de dona (Toroide). Así, el plasma nunca entra en

contacto con las paredes del recipiente.Otro diseño prometedor es el que utiliza rayos láser de alta potencia para iniciar

la reacción de fusión. En las pruebas que se llevan a cabo, varios rayos láser transfieren



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energía a una pastilla de combustible. Los rayos calientan la pastilla y provocan suimplosión, es decir, se colapsa desde todos los puntos y se comprime hasta que suvolumen es mínimo; como consecuencia se lleva a cabo la fusión. Al igual que el métodode confinamiento magnético, la fusión con rayos láser presenta varias dificultadestécnicas que aún se deben resolver antes de ponerla en práctica a gran escala.

La bomba de Hidrógeno

Los problemas técnicos inherentes al diseño de un reactor de fusión nuclear nointerfieren en la producción de una omba de hidrógeno, a la que también se le llamabomba termonuclear . En este caso, el objetivo es tener toda la potencia, no el control.La bomba de hidrógeno no contiene hidrógeno o deuterio gaseoso, sino deuterio de

litio sólido (LiD) que se puede empaquetar fuertemente. La detonación de una bombade hidrógeno sucede en dos etapas: primero hay una reacción de fisión y luego unareacción de fusión. La temperatura necesaria para esta última se logra con una bombaatómica; en cuanto ésta explota, se llevan a cabo las siguientes reacciones que liberancantidades enormes de energía:

En una bomba de fusión no hay masa crítica y la fuerza de la explosión sólo estálimitada por la cantidad de reactivos presentes. Se dice que las bombas termonuclearesson “más limpias” que las bombas atómicas porque los únicos isótopos radiactivos queproducen son los productos de la fisión inicial y el tritio, que es un emisor débil de

partículas (tβ ½ = 12.5 años). Sin embargo, la bomba de fusión puede tener efectos másnocivos para el medio ambiente si en su construcción se incorpora algún material nofisionable, como el cobalto. Al ser bombardeado por los neutrones, el cobalto-59 se

transforma en cobalto-60, que es un emisor muy fuerte de rayos γ , cuya vida media esde 5.2 años. Los isótopos radiactivos de cobalto en los fragmentos o en la lluviaradiactiva de una explosión termonuclear podrían ser fatales para los sobrevivientes a la

explosión inicial.

Poder penetrante de la radiación

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De alguna forma la piel nos protege parcialmente de la incidencia de radiación.Sin embargo, si la actividad sobrepasa ciertos límites se pueden producir graves

quemaduras por la exposición. La radiación α es poco penetrante y actúaprincipalmente a nivel de la piel. La radiación β, puede penetrar de 5 a 10 mm y laradiación γ, llega fácilmente a los huesos.Efectos biológicos de la radiación

Estudiemos brevemente los efectos de la radiación en los sistemas biológicos; peroantes se definirán las mediciones cuantitativas de la radiación. La unidad fundamental

de la radiactividad es el curie (Ci), que corresponde, exactamente, a 3.70 × 1010

desintegraciones nucleares por segundo. Esta velocidad de desintegración equivale a 1g de radio. Un milicurie (mCi) es el milésimo de curie; de modo que 10mCi de una

muestra de carbono-14 es la cantidad que experimenta

(10 × 10-3)(3.70 × 1010) = 3.70 × 108

desintegraciones por segundo. La intensidad de la radiación depende del número dedesintegraciones , así como de la energía y tipo de radiación emitida. La unidad comúnde la dosis de radiación que se absorbe es el rad (radiation absorbed dose, o dosis de

radiación absorbida), que es la cantidad de radiación que lleva a la absorción de 1 × 10-5

J por gramo de material irradiado. El efecto biológico de la radiación depende de laregión del cuerpo que se haya expuesto y del tipo de radiación. Por esta razón, el rad a

menudo se multiplica por un factor llamado RBE (relative biological effectiveness,eficacia biológica relativa). El producto se llama rem (roentgen equivalent for man,equivalente roentgen para el hombre):

1 rem = 1 rad × 1 RBE

De los tres tipos de radiación nuclear, las partículas α suelen ser las menos penetrantes;

las partículas son más penetrantes que lasβ α, pero menos que los rayos γ . Los rayos γ

son de alta energía y de longitudes de onda muy cortas; además, como no llevan carga,

no se pueden detener por los materiales protectores con la misma facilidad como sehace con las partículas α y . Sin embargo, si se ingiere un emisorβ α o , sus efectosβ dañinos se agravan porque los órganos estarán sujetos a una radiación constante de



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corto alcance. Por ejemplo, el estroncio-90, un emisor , es capaz de reemplazar elβ calcio de los huesos, donde el daño es mayor.Debe señalarse que al exponerse a una dosis de radiación a corto plazo de 50 a 200 remdisminuye la cuenta de glóbulos blancos, además de otras complicaciones, mientras queuna dosis de 500 rem o más puede provocar la muerte en el lapso de algunas semanas.Los estándares de seguridad no permiten a los trabajadores nucleares exponerse a másde 5 rem por año, y al público en general a más de 0,5 rem de la radiación que produceel hombre.

La base química del daño causado por la radiación es la radiación ionizante. La

radiación de partículas o de rayos γ puede quitar electrones a los átomos y moléculasque se encuentran en su trayectoria, formando así iones y radicales. Los radicales

(también llamados radicales libres) son fragmentos moleculares que tienen uno o más

electrones desapareados; casi siempre tienen una vida corta y son muy reactivos. Por

ejemplo, cuando el agua se irradia con rayos γ , se forma la siguiente reacción:

La especiese denomina radical hidroxilo.

El electrón (en su forma hidratada) puede reaccionar después con el agua o con un ionhidrógeno para formar hidrógeno atómico, y con el oxígeno para formar el ion

superóxido, (un radical):

Los iones superóxido y otros radicales libres atacan las membranas celulares de lostejidos y una gran variedad de compuestos orgánicos, como enzimas y moléculas deADN. Los compuestos orgánicos mismos pueden ionizarse directamente y destruirse porla radiación de alta energía.

Desde hace tiempo se sabe que la exposición a la radiación de alta energía puedeinducir cáncer en seres humanos y en animales. Esta enfermedad se caracteriza por uncrecimiento celular incontrolable. Por otra parte, está bien establecido que es posibledestruir células cancerosas con tratamientos de radiación adecuados. Esta terapiaconsiste en exponer al enfermo a una radiación suficiente para acabar con las células

cancerosas sin matar demasiadas células normales y sin inducir otras formas de cáncer.El daño que provoca la radiación a los seres vivos suele clasificarse como

somático o genético. Las lesiones somáticas son aquellas que afectan al organismo

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durante su vida; como las quemaduras del Sol, las erupciones en la piel, el cáncer y lascataratas. El daño genético significa que hay cambios heredados o mutacionesgenéticas. Por ejemplo, una persona cuyos cromosomas se dañaron o alteraron por laradiación, puede tener descendientes deformes.

Otra unidad que se usa para expresar el daño biológico que provoca la exposición de unorganismo a la radiación es el sievert (Sv), que tiene la siguiente equivalencia con elrem.

1 Sv = 100 remAsí, en estas unidades, la radiación de fondo recomendada, en un año, para unapersona, no debe superar los 0.005 Sv, siendo la radiación recibida de fuentes naturalesigual a unos 0.003 Sv.Veamos con más detalles los daños ocasionados por la radiación en relación con la dosisrecibida

Dosis (Sv) Efecto biológico0 – 0.25 No hay efecto inmediato

0.25 – 0.50Disminución temporal de la cuenta de

glóbulos blancos

0.50 – 1.0Disminución importante de la cuenta de

glóbulos blancos

1.0 – 2.0 Náuseas. Caída del cabello

2.0 – 5.0 Hemorragias internas. Posible muerte

> 5.050% de probabilidad de muerte en el plazo

de 30 días.

Isótopos radiactivos

Los isótopos radiactivos son producidos en los reactores nucleares deinvestigación. El comportamiento químico es idéntico a un isótopo estable del mismoelemento, pero son detectados ubicando la radiactividad que emiten. Estos isótopos sonuna herramienta muy útil, ya que se pueden utilizar como trazadores en reaccionesquímicas biológicas y no biológicas. Por ejemplo, en medicina, industria y agricultura.

Trazadores en medicina

Los isótopos radiactivos son una herramienta fundamental para detectar y trataralgunas enfermedades. Así, por ejemplo, utilizando radiofármacos de vida media

discreta, se pueden estudiar órganos y tejidos sin alterarlos. Una pequeña dosis delradiofármaco se da al paciente, ya sea por vía intravenosa o por vía oral, y a través dedispositivos de detección se sigue el recorrido hasta que se concentra en un órgano o



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tejido. La radiación emitida por éste permite crear una imagen del órgano la cual esreproducida para examinarla.Veamos los siguientes ejemplos

Isótopo radiactivo Vida mediaÁrea del cuerpo

estudiada

Yodo-131 8.1 días Tiroides

Hierro-59 45.1 días Glóbulos rojos

Fósforo-32 14.3 días Ojos, hígado y tumores

Tecnecio-99 6.0 horasCorazón, huesos, hígado y

pulmones

Sodio-23 14.8 horas Sistema circulatorio

Trazadores en la industria

Se utilizan para introducirlos en determinados procesos e investigar las diversaspartes que lo componen. Un ejemplo es la utilización de trazadores para detectar fugasde gases o líquidos que son transportados a través de cañerías por circuitos, como losconductos subterráneos de un oleoducto. También se utilizan para obtener imágenes depiezas internas de diferentes estructuras, utilizando radiografías en base a rayosgamma, conocidas como gammagrafías, usadas para comprobar la calidad desoldaduras en piezas metálicas y cerámicas. Estas imágenes también se usan en

medicina.

Trazadores en la agricultura

Los trazadores son utilizados para llevar a cabo estudios sobre la efectividad dedeterminados nutrientes para así poder utilizarlos adecuadamente en diversos cultivos.Esto se logra introduciendo un isótopo, como el fósforo-32, en un fertilizante paramarcarlo, luego se incorpora el fertilizante en el suelo en tiempos y cultivos diferentes;así será posible determinar qué cantidad y en qué época del año aplicar el fertilizantepara obtener mayor productividad.

Con este método es posible lograr cultivos más resistentes a las plagas o controlardirectamente las plagas suministrando altas emisiones de radiación ionizante en lapoblación de insectos machos, ya que así no dejan descendencia.

Trazadores en los estudios del medio ambiente

En este sector, los trazadores son utilizados para detectar y analizar diversoscontaminantes. Para realizar el estudio se irradia una muestra de agua o sueloobteniendo los espectros gamma que emite, para finalmente procesar la información.Este método es utilizado para investigar los daños causados por derrames de petróleo,

contaminación por dióxido de carbono, contaminación del agua o liberación de gases anivel del suelo.



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Apuntes sobre Fenómenos Nucleares

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