EMISIONES ATÓMICAS

REACTOR NUCLEAR Es una instalación física donde se produce y controla una reacción nuclear en cadena. El combustible utilizado (Uranio-235, generalmente) permite asegurar la normal producción de energía generada por las sucesivas fisiones. En la reacción de fisión se produce todo tipo de radiaciones, así que para evitar que los operarios del reactor y el medio externo sean sometidos indebidamente a tales radiaciones, se utiliza un blindaje que rodea al reactor. Los materiales más usados en la construcción de blindajes son el agua, el plomo y el hormigón de alta densidad, con a los menos 1,5 metros de espesor. Los neutrones obtenidos en el proceso de fisión emergen a velocidades muy altas, de modo, que para asegurar continuidad de la reacción en cadena es necesario disminuir la energía cinética de ellos haciéndolos colisionar con otro material adecuado (moderador), preferentemente agua ligera o pesada.

Fuente: www.cchen.cl

CURSO: QUÍMICA MENCIÓN

MATERIAL QM N° 02

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INTRODUCCIÓN

Entre fines del 1800 y principios de 1900, investigaciones en el terreno de las radiaciones hicieron posible una serie de descubrimientos que calaron hondo en el campo de la química y la física. En 1895 el físico alemán Wilhelm Röentgen descubre los rayos X y al año siguiente Henry Becquerel físico francés, descubre la radiactividad natural. Meses después, el inglés Joseph John Thomsom descubre los electrones. Con semejantes evidencias, era imposible seguir creyendo que el átomo era la partícula más pequeña de la naturaleza. Aún cuando la paradoja de la suerte acompañó en sus experiencias a Röentgen, no deja de ser sorprendente la claridad de este físico para observar un fenómeno único y darle brillante explicación. Es obligación mencionar los trabajos realizados por Marie y Pierre Curie en el tema de la Radiactividad. El descubrimiento de elementos nuevos y el estudio acabado de las emisiones nucleares, permitió que esta década de oro en la ciencia marcara el inicio de la era nuclear. LOS RAYOS DESCONOCIDOS

En el año 1895 Wilhelm Röentgen descubre los rayos X. Estudiando las emisiones de luz de un tubo de descarga eléctrica observó que una pantalla cubierta con una sal fluorescente destellaba cada vez que conectaba el tubo de descarga. Röentgen tenía claro que los rayos catódicos eran emisiones que no podían atravesar el tubo de vidrio, sin embargo y por alguna razón, una radiación “invisible” atravesaba las paredes e impactaba la pantalla. Comprobó también que el poder de penetración era sorprendente. Puso ciertos obstáculos entre la pantalla y la emisión (metales, madera, vidrio, etc.) y sin embargo, persistía la luminosidad. Supuso que era radiación de alta energía pero de naturaleza desconocida. Por esta razón le denominó radiaciones X. Más tarde en 1912 Max Von Laue determina la naturaleza electromagnética de los rayos X.

Los rayos X se producen cuando en el interior de un tubo de descarga, electrones de alta energía (rayos catódicos) impactan a un blanco metálico (radiación de frenado).

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PROPIEDADES DE LOS RAYOS X

1. Son radiaciones electromagnéticas.

2. Se propagan en línea recta a la velocidad de la luz.

3. Es imposible desviar su trayectoria mediante una lente o prisma, pero sí mediante una red cristalina (difracción de rayos).

4. Son radiaciones ionizantes (ionizan gases).

5. Pueden destruir células vivas.

6. Atraviesan la materia. El grado de penetración depende de su energía y la naturaleza

del medio que atraviesan.

RADIACTIVIDAD Descubierta en forma accidental en 1896 por el científico francés Antoine Henry Becquerel, la Radiactividad es una de las emisiones de energía atómica más sorprendentes y de mayor utilidad a la fecha. Estudiando un mineral de Uranio (pechblenda), Becquerel observó fosforescencia sin que el mineral hubiera sido expuesto previamente a la luz. Comprobó que el mineral emitía radiación capaz de velar una placa fotográfica.

Al igual que los rayos X, los rayos provenientes del mineral pechblenda eran de alta energía y fue imposible desviarlos con un campo electromagnético externo. Sin embargo, diferían de los rayos X, puesto que se emitían de manera espontánea del material de uranio.

La física polaca Marie Curie; discípula de Becquerel, propone el término radiactividad para estas radiaciones espontáneas de partículas y energía.

A fines de 1897 los esposos Curie (Pierre y Marie) descubren otros dos elementos radiactivos, el polonio (Po) y el radio (Ra). En 1902 Ernest Rutherford demuestra que la radiactividad genera transformaciones espontáneas y de este modo un elemento puede transformarse en otro. Finalmente en 1911 Marie Curie aísla el radio y obtiene su masa atómica, el descubrimiento le significa un segundo premio Nobel.

Los Curie identificaron tres radiaciones de intensidad y naturaleza diferente en sus estudios con el Radio. A estas emisiones les denominaron, alfa (α), beta (ß) y gamma (γ), sin embargo a la fecha se conocen otras dos formas anexas de emisión atómica (desintegraciones); éstas son, la captura electrónica y la emisión de positrones.

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ESTABILIDAD NUCLEAR

El fenómeno de la radiactividad es estrictamente nuclear, técnicamente es la desintegración espontánea del núcleo. La estabilidad nuclear es el equilibrio entre las fuerzas de repulsión eléctrica de los protones y la fuerza atractiva nuclear, que experimentan los protones y neutrones del núcleo.

La relación entre el número de protones (Z) y neutrones (n) es por lo tanto clave para la estabilidad del núcleo. Los átomos que poseen número atómico bajo (hasta el calcio, número atómico 20) poseen un neutrón por cada protón en el núcleo, es decir, su relación neutrón/protón es 1/1. Para elementos de mayor número atómico la relación neutrón/protón es mayor a 1, llegando hasta 1.56 (N / Z=1.56), desviándose del valor 1 en el que el núcleo es estable. Este comportamiento de los diferentes núcleos está representado en la gráfica.

PROCESOS DE DESINTEGRACIÓN

Existen radiaciones de tipo natural y artificial. La primera se produce cuando un núcleo radiactivo espontáneamente emite radiaciones debido a que se encuentra inestable (inestabilidad de masa o energía). En cambio en las radiaciones de tipo artificial primero se desestabiliza el núcleo, por impacto con partículas subatómicas o por colisiones con otros núcleos. La forma de representar estos tipos de reacciones es la siguiente:

196 192 484 82 2Po Pb + He→ EMISIÓN ESPONTÁNEA � radiactividad natural.

27 4 30 113 2 15 0Al + He P + n→ EMISIÓN ARTIFICIAL � radiactividad artificial.

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Existen cinco tipos comunes de desintegraciones radiactivas:

• Emisión de partículas alfa (α ) • Emisión de partículas beta ( β )

• Emisión de rayos gamma (γ )

• Emisión de positrones ( +β )

• Captura electrónica (CE) EMISIÓN ALFA ( 4 +2

2He ): Corresponde a partículas con carga positiva +2 y 4 unidades de masa

atómica. Son núcleos de helio con poco poder de penetración y gran capacidad ionizante. Un ejemplo de ello es:

238 234 492 90 2U Th + He→

EMISIÓN BETA ( 0

-1e)

Son partículas con carga negativa (electrones) que viajan a gran velocidad. Se desvían frente a un campo electromagnético y son mucho más penetrantes que las radiaciones alfa. Las emisiones beta provienen del núcleo producto de la desintegración de un neutrón*. El átomo que queda de la desintegración aumenta en 1 su número atómico, pero mantiene su número de masa (debemos mencionar que protón y neutrón poseen aproximadamente la misma masa, 1 uma). Un ejemplo de desintegración beta es la del Torio-234:

234 234 0-190 91Th Pa + e→

* Junto con las partículas beta también se emiten otras partículas llamadas antineutrinos (ν ),

que carecen de carga y poseen una masa inferior a 4·10-5 de la masa del electrón.

EMISIÓN GAMMA (γ )

Corresponde a radiación electromagnética de alta energía; no poseen masa. Se conocen algunos isótopos que emiten rayos gamma de forma pura. La emisión gamma tiene lugar cuando un radioelemento existe en dos formas diferentes, los llamados isómeros nucleares, con el mismo número atómico y número másico pero distintas energías. La emisión de rayos gamma acompaña a la transición del isómero de mayor energía a la forma de menor energía. Un ejemplo de esta isomería es el isótopo protactinio 234, que existe en dos estados de energía diferentes, y en el que la emisión de rayos gamma indica la transición de uno al otro.

234 *91

23491Pa Pa+→ γγγγ

En la emisión de rayos gamma no hay cambios en el número de protones y neutrones en el núcleo por lo tanto, no hay transmutación (cambio en la identidad de un átomo).

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La diferencia entre la naturaleza de un átomo y otro está justificada en el núcleo atómico, pero precisamente en el número de protones. Dos o más átomos pueden tener distinta cantidad de neutrones en su núcleo pero seguirán siendo el mismo elemento, uno más “pesado que el otro”. Ahora bien, si la diferencia está en el número de protones, entonces serán absolutamente distintos. EMISION DE POSITRONES ( 0

+1e o β + )

La emisión de positrones se produce cuando un protón del núcleo se transforma en un neutrón

emitiendo una partícula denominada positrón ( +β ). 8 8 05 4 1B Be e

+→ +

Cuando un positrón choca con un electrón, ambos desaparecen y se emiten dos fotones de radiación gamma en un proceso llamado de aniquilación.

0 0 01 1 0e e 2

− ++ → γγγγ

Los positrones se consideran antimateria debido a que al encontrarse con su contraparte (electrones) se destruyen. CAPTURA ELECTRÓNICA (CE) Se produce captura electrónica cuando un electrón proveniente de las capas más internas del átomo cae dentro del núcleo con lo cual un protón se transforma en neutrón. Esto provoca una disminución en el número atómico, pero se mantiene constante el número de masa.

7 0 74 1 3Be e Li

−+ →

CONCEPTOS PRELIMINARES Definiciones importantes en radiactividad Número Atómico (Z) Corresponde a la cantidad de protones que hay en el núcleo de un átomo, este número identifica e individualiza a un elemento. Si el átomo es neutro, el número atómico coincide con el número de electrones.

Notación representada: zX: 13Al ; 8O ; 92U

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Número de Masa o Número Másico (A) Se define número másico como la cantidad total de partículas presentes en el núcleo de un átomo (nucleones).

A = Z + n ISÓTOPOS Átomos de un mismo elemento con diferente número de neutrones. No obstante lo anterior, el comportamiento químico para los isótopos es el mismo.

Ejemplos: 16 17 188 8 8O ; O ; O isótopos del oxígeno

En la tabla periódica vemos un valor promedio (peso atómico), para cada elemento y debe entenderse como tal, es decir, un valor medio de la abundancia isotópica para cada uno de ellos en la naturaleza. ISOBAROS Átomos de elementos diferentes con el mismo número de partículas en el núcleo atómico (A).

Ejemplos: 146C y 147N

ISÓTONOS Átomos de distintos elementos con igual cantidad de neutrones.

Ejemplos: 31H y

42He

IONES Y ÁTOMOS ISOELECTRÓNICOS Iones de diferentes elementos con igual cantidad de electrones.

Ejemplos: 2412Mg+2 y 16

8 O-2

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FENÓMENOS RADIACTIVOS

FUSIÓN NUCLEAR

Corresponde a la unión de núcleos ligeros con formación de núcleos más pesados y liberación de energía.

La bomba de hidrógeno es la reacción de fusión más conocida:

Núcleos ligeros de deuterio y el tritio se combinan para originar núcleos más pesados. Esta reacción tiene lugar en el sol, por lo tanto sólo se produce a altísimas temperaturas. Cerca de 200 millones de grados Celsius son necesarios por tanto es prácticamente inútil intentar realizarla en tierra.

FISIÓN NUCLEAR

Es la división de un núcleo muy pesado en un par de núcleos más livianos, proceso en el cual se libera gran cantidad de energía.

Ejemplo: 235 1 141 92 192 0 56 36 0U + n Ba + Kr + 3 n + ENERGÍA→

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Período de Semidesintegración o tiempo de vida medio (t½)

Es el tiempo que tarda un radionuclido en reducirse a la mitad de su masa, independiente de la cantidad de muestra radiactiva. Las vidas medias de los elementos alcanzan, desde una fracción de segundo, hasta miles de millones de años. Por ejemplo, el 238

92U tiene una vida media de 4,5·109 años, el 22688Ra tiene una vida media de 1620

años y el 156C tiene una vida media de 2,4 segundos.

Otros ejemplos:

Isótopo radiactivo t½

C – 14

Po-214

U -238

Ra-222

Ac-228

Rn-220

Th-234

Ra-226

5.570 años

10-6 segundos

4,56·109 años

3,85 días

6,2 horas

55,3 segundos

24,5 días

1620 años

RADIOPROTECCIÓN Dependiendo del tipo de emisión existen diferentes materiales para uso como blindaje, por ejemplo las partículas alfa interaccionan con el medio absorbiéndose completamente. Su alcance es de unos pocos centímetros en el aire. Cualquier partícula alfa es completamente detenida por una hoja de papel o por la capa basal de la piel. Las partículas beta tienen mayor alcance que las partículas alfa y pueden ser absorbidos por materiales poco densos como el aluminio. Una característica particular es que, cuando se absorben por elementos de alto número atómico, como el plomo, producen radiación X de frenado. La radiación gamma es radiación de alta energía que se detiene con bloques de hormigón.

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En el siguiente diagrama se observan ejemplos de estas radiaciones:

Aplicaciones de las reacciones nucleares

• En la industria: radiografías de aleaciones para detectar fallas, control de producción midiendo espesor, control en el desgaste de los materiales, estudios de detergentes, detección de filtraciones o fugas, generación de corriente eléctrica, conservación de alimentos, esterilización de instrumentos quirúrgicos.

• En química: Uso de trazadores en reacciones a estudiar, análisis por activación neutrónica

para determinar vestigios de impurezas (éste último muy utilizado en ciencia espacial, geología, ecología, etc.).

• En la agricultura: en trazadores para estudiar como absorben los vegetales a los

fertilizantes, insecticidas y otros productos, aumentar la conservación de los alimentos, obtener por mutaciones cereales más resistentes y productivos, estudiar mejor la alimentación de los animales, aumentando la producción de leche, huevos, etc.

• En Arqueología: la importancia que tiene para un país como Chile, en cuyo norte se

conserva el pasado con características únicas en el mundo en relación al grado de conservación, así como también la reconstrucción del patrimonio histórico.

• Los fenómenos radiactivos se utilizan con propiedad en muchas ramas de la ciencia siendo

la química, la física y la medicina, las con mayor potencial de aplicación. Los isótopos radioactivos se utilizan en la medicina nuclear, principalmente en las imágenes médicas, para estudiar el modo de acción de los medicamentos, entender el funcionamiento del cerebro, detectar una anomalía cardiaca, descubrir las metástasis cancerosas, entre otras.

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ISÓTOPOS RADIACTIVOS, SUS VIDAS MEDIAS Y SUS APLICACIONES MÉDICAS COMO MARCADORES EN EL CUERPO HUMANO.

Isótopo Vida media Área del cuerpo que se estudia 131 I 8,1 días Tiroides

59 Fe 45,1 días Glóbulos rojos

99 Mo 67 horas Metabolismo

32 P 14,3 días Ojos, hígado, tumores

51Cr 27,8 días Glóbulos rojos

87 Sr 2,8 horas Huesos

99 To 6,0 horas Corazón, huesos, hígado, pulmones

133 Xe 5,3 días Pulmones

24 Na 14,8 horas Sistema circulatorio

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TEST EVALUACIÓN MÓDULO 02

1. Un ion que presenta 17 protones y 18 electrones

I) es un catión. II) tiene Z igual a 17. III) se escribe como Y+1.

De las anteriores proposiciones es(son) siempre correcta(s)

A) sólo II. B) sólo III. C) sólo I y II. D) sólo II y III. E) I, II y III.

2. Un material radiactivo X emite partículas alfa y beta de acuerdo con el siguiente decaimiento

α αβ β

X Y Z W T

Analizando la serie radiactiva se infiere correctamente que

I) X y T son isótopos. II) Y, Z y W son isobaros. III) la masa atómica de W es mayor que la de X.

A) Sólo I. B) Sólo II. C) Sólo III. D) Sólo I y II. E) Sólo II y III.

3. Considerando la siguiente reacción, es correcto afirmar que

→A AZ Z+1X Y+Partícula

I) X e Y son isobaros entre sí. II) X e Y son átomos de un mismo elemento. III) se emite una partícula con carga negativa.

A) Sólo I. B) Sólo II. C) Sólo III. D) Sólo I y III. E) I, II y III.

4. ¿Cuál de las siguientes especies químicas presenta un déficit de protones respecto del número

de electrones?

A) 3X+1

B) 8Y-2

C) 7M D) 9W E) 14R

+4

13

0 12 24 36 48 60 72

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

..

.

N0/8

N0/4

N0/2

N0

N (n

0 d

e át

omos)

Tiempo (años)

5. La siguiente gráfica corresponde a la desintegración de una sustancia X radiactiva como

función del tiempo

Del análisis de la gráfica se infiere correctamente que

I) la vida media para X es de 24 años. II) cada 12 años se desintegra un 50% de los átomos de X. III) a los 48 años se ha desintegrado un 75% de los átomos de X iniciales.

A) Sólo I. B) Sólo II. C) Sólo III. D) sólo I y III. E) I, II y III.

6. Sólo una de las siguientes transmutaciones es natural, indíquela

A) 238

92U + 1

0n → 239

93Np + 0

-1e

B) 14

7N + 4

2He → 17

8O + 1

1H

C) 238

92U → 234

90Th + 4

2He

D) 14

7N + 1

0n → 14

6C + 1

1H

E) 6

3Li + 1

0n → 3

1H + 4

2He

7. Cada vez que un radionuclido (elemento radiactivo) emite sólo una partícula alfa, su número

atómico (Z)

A) disminuye en 2 unidades. B) disminuye en 1 unidad. C) aumenta en 2 unidades. D) aumenta en 1 unidad. E) se mantiene invariable.

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8. Los siguientes iones: 19F

− y 111Na+

A) difieren en 1 electrón. B) son isótopos entre sí. C) presentan la misma cantidad de protones. D) tienen igual cantidad de partículas en el núcleo. E) presentan la misma cantidad de electrones.

9. ¿Cuál de las siguientes aseveraciones es correcta respecto al comportamiento de tres tipos de

emisiones radiactivas frente a un campo eléctrico?

A) X es una radiación con carga negativa. B) Z es una radiación con carga positiva. C) Y presenta ambos tipos de carga eléctrica. D) la emisión Z corresponde a una partícula beta. E) la emisión Y corresponde a una partícula alfa.

10. La siguiente reacción nuclear corresponde a la transmutación del Nitrógeno en Carbono. De

ella se desprende la siguiente información:

13 7 N → 13

6 C + 0+1 e

I) 13 7 N y 13

6 C tienen la misma cantidad de neutrones.

II) 13 7 N y 13

6 C son átomos isoelectrónicos.

III) en la reacción se emite un positrón.

De las anteriores es (son) correcta(s)

A) sólo I. B) sólo II. C) sólo III. D) sólo I y II. E) sólo II y III.

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11. Las especies químicas 14Si-4, 13Al+3 y 12Mg+2

A) son iones isoelectrónicos. B) el mismo comportamiento químico. C) presentan respectivamente 18, 10 y 10 electrones. D) son aniones estables electrónicamente. E) presentan la misma cantidad de neutrones.

12. Para la siguiente especie química: 224

12X+ , el número de protones, neutrones y electrones es

respectivamente

Protones Neutrones Electrones

A) 12 10 12 B) 12 12 10 C) 10 24 12 D) 14 14 24 E) 10 24 10

13. Los elementos K3919 y K40

19 son entre sí

A) isobaros. B) isotonos. C) isómeros. D) isótopos. E) iones isoelectrónicos.

14. ¿Cuál especie de la lista contiene la mayor cantidad de neutrones?

A) Ca4020

B) S3216

C) Cl3517

D) Sc4021

E) Ar3618

15. El número atómico para un elemento corresponde siempre a el (la)

A) número de neutrones que presenta. B) cantidad de electrones del elemento. C) cantidad total de protones en el núcleo. D) número de electrones en el nivel de mayor energía. E) suma de protones, neutrones y electrones que presenta.

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