Clase Fenómenos nucleares II: fisión y fusión nuclear · Una aplicación de la fisión nuclear...
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PP
TC
EL0
02Q
M11
-A16
V1
Clase
Fenómenos nucleares II:
fisión y fusión nuclear
Resumen de la clase anterior
Átomos
Alfa
Elementos buscan
generar estabilidad
Beta Gamma
Emisiones
ISÓTOPOS
INESTABLES
RADIACTIVIDAD
Aumento nivel de penetración
Aumento poder de ionización
Aprendizajes esperados
• Aplicar el concepto de vida media de desintegración radiactiva.
• Conocer el concepto de fusión nuclear.
• Conocer el concepto de fisión nuclear.
• Evaluar los riesgos para el ser humano de las emisiones
radiactivas.
Pregunta oficial PSU
Una masa de 400 mg de un isótopo radiactivo decae a 12,5 mg, al cabo de 15 horas. ¿Cuál
es la vida media del isótopo?
A) 3 horas
B) 6 horas
C) 9 horas
D) 12 horas
E) 15 horas
Fuente: DEMRE – U. DE CHILE, Modelo Prueba de Ciencias Química Admisión 2017
1. Radiactividad
2. Reacciones nucleares
3. Aplicaciones y efectos de la energía
nuclear
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.
El isótopo radiactivo inicial
se llama progenitor, y el
producto se conoce como
hijo.
1.1 Serie radiactiva
1. Radiactividad
Ejercitación Ejercicio 3
“guía del alumno”
D Aplicación
1.2 Período de semidesintegración
El período de semidesintegración corresponde a la cantidad de tiempo necesaria
para disminuir a la mitad la masa de un isótopo.
No : masa inicial. t1/2 : período de
semidesintegración.
N t 1/2 : masa al
cabo de una vida
media.
1. Radiactividad
La vida media es el tiempo promedio que tarda un núcleo en desintegrarse.
Es un concepto diferente al de período de semidesintegración, pero para la
resolución de ejercicios PSU se utilizan de forma equivalente, por lo que aquí
también se trabajará de esa forma.
El período de semidesintegración (o la vida media) de
un isótopo determina la probabilidad de existencia
natural del mismo.
t1/2 corta t1/2 larga
Isótopos
producidos a nivel
de laboratorio.
Isótopos hallados
naturalmente en
el planeta.
Isótopo Vida media
Potasio-37 1,23 segundos
Hierro-53 8,5 minutos
Yodo-131 8 días
Hidrógeno-3 12 años
Plomo-210 22 años
Silicio-32 500 años
Radio-226 1600 años
Carbono-14 5730 años
Uranio-238 4.510.000.000 años
1.2 Período de semidesintegración
1. Radiactividad
Ejercicio 4
“guía del alumno” Pregunta HPC
E ASE
El siguiente gráfico muestra el tiempo de vida media de un isotopo radiactivo.
A partir de los datos del gráfico, es correcto afirmar que
I) la vida media es el tiempo que demora la masa inicial de un isótopo en
disminuir a la mitad.
II) la vida media del Sr-90 es inferior a 30 años.
III) cuando transcurran 5 vidas medias quedarán 0,3125 g de Sr-90.
A) Solo I B) Solo II
C) Solo III D) Solo I y II
E) I, II y III
1.3 Datación mediante desintegración radiactiva
1) Datación con carbono radiactivo 6C14
Todo compuesto orgánico, que posea carbono en su estructura y que esté
muerto, es susceptible a ser datado en su antigüedad.
El C–14 posee un valor de vida media de 5730 años → se debe utilizar para
muestras de menos de 60000 años.
1. Radiactividad
1.3 Datación mediante desintegración radiactiva
2) Datación mediante uranio–238
Corresponde a una serie útil para estimar la edad de las rocas en la Tierra y de
los objetos extraterrestres.
Posee un valor de vida media de 4,51x109 años → útil para determinar la edad
de la Tierra.
1. Radiactividad
1.3 Datación mediante desintegración radiactiva
3) Datación mediante potasio–40
Una de las técnicas más importantes en geoquímica.
Con la relación de masas de argón–40 y de potasio–40 en el mineral, y la vida
media de desintegración, es posible establecer la edad de las rocas que tienen
entre millones y miles de millones de años.
40 0 40
19 1 18K + e Ar
4) Datación mediante plomo–210
Es empleado para determinar la antigüedad de elementos inorgánicos a base
de plomo.
Pinturas, monedas, vasos, cerámica china, balas de cañón…
1. Radiactividad
Ejercitación Ejercicio 8
“guía del alumno”
C Comprensión
El isótopo de carbono-14 se puede utilizar para determinar la data de una
I) punta de flecha de piedra.
II) vasija de barro zoomorfa de la cultura diaguita.
III) momia maya encontrada en la península de Yucatán.
Es (son) correcta(s)
A) solo I.
B) solo II.
C) solo III.
D) solo I y II.
E) solo II y III.
1.4 Transmutación nuclear
Rutherford, en el año 1919, demostró que era posible transformar un elemento en
otro mediante transmutación nuclear. Este proceso resulta de la colisión de dos
partículas.
14 4 17 1
7 2 8 1N + α O + p
Elementos transuránicos
Los aceleradores de partículas
hicieron posible la síntesis de
elementos con números atómicos
mayores de 92, llamados
elementos transuránicos. Todos
los isótopos de estos elementos
son radiactivos.
1. Radiactividad
2. Reacciones nucleares
Establecen un cambio en la identidad
de los átomos participantes.
Fisión nuclear Fusión nuclear
Ruptura de un núcleo
pesado en dos núcleos
más livianos.
Unión de dos núcleos
livianos, estableciendo
un nuevo elemento.
2.1 Fisión nuclear
Se divide un núcleo pesado (número másico > 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
menos estable que sus productos.
235 1 90 143 1
92 0 38 54 0U + n Sr + Xe + 3 n
2. Reacciones nucleares
2.1 Fisión nuclear
Los neutrones generados en las
etapas iniciales de la fisión
pueden inducir fisión en otros
núcleos. Se obtiene una
reacción nuclear en cadena,
es decir, una secuencia de
reacciones de fisión nuclear
autosuficientes.
La masa crítica corresponde a la mínima
masa del material fisionable necesaria para
generar una reacción nuclear en cadena.
2. Reacciones nucleares
2.2 La bomba atómica
La fisión nuclear se aplicó por primera vez para fabricar la bomba atómica. Se
fuerza la unión de las secciones fisionables a través de un explosivo como el
TNT generando una reacción en cadena descontrolada.
Hiroshima → uranio–235 (6 agosto 1945)
Nagasaki → plutonio–239 (9 agosto 1945)
2. Reacciones nucleares
2.3 Reactores nucleares de fisión
Una aplicación de la fisión nuclear es la generación de electricidad
aprovechando el calor de una reacción en cadena controlada en un reactor
nuclear.
Reactor de agua pesada → utiliza D2O como moderador (isótopo deuterio). El
deuterio absorbe menos neutrones que el hidrógeno, esto lo hace más eficiente y no
requiere uranio enriquecido.
Reactor de agua ligera → utiliza agua (isótopo ) como moderador, el cual
reduce la energía cinética de los neutrones, provocando una mayor eficiencia en la
división de los núcleos de uranio–235. Requiere uranio enriquecido.
1
1H
Reactor de cría→ utiliza uranio como combustible, pero a diferencia de un reactor
nuclear convencional, produce más material fisionable que el que consume.
2. Reacciones nucleares
Ejercitación Ejercicio 12
“guía del alumno”
E Comprensión
2.4 Fusión nuclear
Corresponde a la combinación de pequeños núcleos en otros más grandes, está
exenta en gran parte del problema asociado al desecho de los desperdicios.
Proceso continuo en el Sol, el cual
se compone principalmente de
hidrógeno y helio.
1 2 3
1 1 2
3 3 4 1
2 2 2 1
1 1 2 0
1 1 1 +1
H + H He
He + He He + 2 H
H + H H + β
Las reacciones de fusión suelen llamarse también
reacciones termonucleares porque se llevan a cabo
solo a temperaturas muy elevadas.
2. Reacciones nucleares
2.4 Fusión nuclear
Para comprender la magnitud de la energía liberada en esta reacción, pensemos
en la siguiente comparación:
Energía liberada al quemar un mol de gas natural.
Los Mega electrón-Volts indicados en la primera reacción corresponden a 1 átomo.
¿A cuánta energía corresponderá un mol de reactivo?
4 2 2 22 2CH O CO H O 3.500 (J/mol)
2 3 4 11 1 2 0H H He n 1.700.000.000.000 (J/mol)
Un mol de deuterio corresponde a solo 2 gramos!!
17,6 MeV2 3 4 1
1 1 2 0H + H He + n
2. Reacciones nucleares
2.5 Reactores de fusión
Estas reacciones se llevan a cabo a temperaturas extremadamente altas
(100 millones de grados Celsius).
Ventajas
• Combustibles baratos y casi
inagotables.
• Poca generación de desperdicios
radiactivos.
Desventajas
• Problemas para mantener
unidos a los núcleos.
• Imposibilidad de lograr las
temperaturas adecuadas.
Actualmente no existe ningún
reactor de fusión que produzca
energía.
2. Reacciones nucleares
2.6 La bomba de hidrógeno
También conocida como bomba termonuclear, contiene deuterio de litio sólido
(LiD). La detonación sucede en dos etapas:
Primero una reacción de fisión y luego una reacción de fusión.
6 2 4
3 1 2
2 2 3 1
1 1 1 1
Li + H 2 α
H + H H + H
La fuerza de la explosión solo está limitada
por la cantidad de reactivos presentes.
2. Reacciones nucleares
Ejercitación Ejercicio 11
“guía del alumno”
A Reconocimiento
3. Aplicaciones y efectos de la energía nuclear
3.1 Aplicaciones de los isotopos
sodio–24 (emisor β) → se utiliza para rastrear el
flujo sanguíneo y descubrir obstrucciones en el
sistema circulatorio.
yodo–131 (emisor β) → se utiliza para medir la
actividad de la glándula tiroides.
yodo–123 (emisor de rayos gamma) → se utiliza
para obtener imágenes del cerebro.
tecnecio–99 (emisión de rayos gamma) → se
utiliza para obtener imágenes de órganos como
el corazón, hígado y pulmones.
Los isótopos en la medicina
La imagenología busca convertir al
paciente en un emisor gamma a
través de la inoculación de material
radiactivo desde el exterior.
3. Aplicaciones y efectos de la energía nuclear
3.2 Efectos biológicos de la radiación
estroncio–90 → emisor beta, es capaz de reemplazar el calcio de los huesos.
iones superóxido (O2–) → atacan membranas celulares de los tejidos y
compuestos orgánicos, como enzimas y ADN.
El efecto biológico de la radiación depende de diversos factores como la dosis
recibida, el tiempo de exposición, la región del cuerpo que se haya expuesto y
el tipo de radiación.
Los efectos son múltiples y de diversa gravedad,
incluyendo quemaduras, mutaciones genéticas,
esterilidad, cáncer (crecimiento celular anormal),
entre muchos otros.
Pregunta oficial PSU
Una masa de 400 mg de un isótopo radiactivo decae a 12,5 mg, al cabo de 15 horas. ¿Cuál
es la vida media del isótopo?
A) 3 horas
B) 6 horas
C) 9 horas
D) 12 horas
E) 15 horas
Fuente: DEMRE – U. DE CHILE, Modelo Prueba de Ciencias Química Admisión 2017
ALTERNATIVA CORRECTA
A
