Fenómenos Nucleares

Química- Plan comúnNivel: 4º medio

Karina Oñate Fuentes

500 años AC Demócrito y

Leucipo

Fundan la Escuela Atomista Plantean la idea de ÁTOMO (a= sin, tomo= división)

2400 años después evidencias experimentales y el desarrollo natural del conocimiento

1808 Jhon Dalton propone la primera Teoría Atómica, representando al átomo como una esfera compacta indivisible e indestructible. El modelo se sustenta en 4 postulados.

Michael Faraday al realizar experiencias con ELECTRICIDAD propone la naturaleza eléctrica de la materia

1850 Williams Crookes al trabajar con tubos de descarga descubre los rayos catódicos

1886 Eugen Golstein al trabajar con tubos de descarga de cátodo perforado descubre los rayos canales los que posteriormente se llamaron protones

1895 Wilhelm Roentgen al trabajar con los rayos catódicos descubre los rayos X

1896 Henri Becquerel al estudiar la fluorescencia que emitía un mineral de Uranio (plechblenda) descubre casualmente la RADIACTIVIDAD, propiedad de los átomos de ciertos elementos a desintegrar su núcleo espontáneamente generando partículas y/o radiaciones. A estos elementos se les llamó Elementos Radiactivos y a esas emisiones se les llamó Emisiones Radiactivas (partículas alfa, partículas beta y rayos gamma). Dicha propiedad siguió siendo estudiada por Marie y Pierre Curie quienes aportaron nuevos elementos radiactivos el Ra y Po.

1897 Joseph Thomson al trabajar con los rayos catódicos, concluyó que estos rayos al ser afectados por un campo eléctrico-magnético y dirigirse hacia el ánodo debían ser partículas con carga negativa, las que posteriormente se llamaron ELECTRONES. Gracias a estas observaciones Thomson postula su modelo atómico de la materia conocido como el modelo del Budín de pasas.

Modelos atómicos

John Dalton

Joseph Thomson

Ernest Rutherford

Niels Bohr

1. Los elementos están formados por pequeñas partículas indivisibles

2. Todos los átomos de un elemento poseen similares características y masa.

3. Existen átomos simples y átomos compuestos (moléculas).

1. Los átomos son divisibles.

2. Están constituidos por pequeños corpúsculos móviles (electrones) rodeados por una esfera de carga positiva uniforme.

1. El átomo está compuesto principalmente de espacio vacío.

2. Los electrones están orbitando alrededor de una estructura central con carga positiva (núcleo).

3. Los electrones se mueven en orbitas definidas.

Erwin Schroeding

er

1. La energía presente en los electrones los lleva a comportarse como ondas.

2. Los electrones se mueven alrededor del núcleo en zonas de mayor probabilidad.

Estructura del núcleo atómico

Número Atómico (Z):• Número de protones del

átomo.• Indica el elemento al que

pertenece el átomo.

Número Másico (A):• Suma de protones y

neutrones del átomo.• Indica la masa del átomo

ZXA

• Corresponden a átomos que tienen el mismo número atómico pero diferente número másico.

• Por ejemplo, existen tres isótopos de hidrógeno. Se conocen como hidrógeno, deuterio y tritio.

Isótopos

Solo 21 elementos poseen un

solo isótopo natural

• Se denominan isóbaros a los distintos núcleos atómicos con el mismo número másico (A), pero diferente número atómico (Z).

• Las especies químicas son distintas, pero la cantidad de protones y neutrones es tal que, a pesar de ser distinta entre los dos isóbaros, la suma es la misma.

Isóbaros

• Son átomos diferentes, por lo tanto, tienen diferente número atómico, también tienen diferente número másico, pero, tienen el mismo número de neutrones.

• Número de protones difiere entre átomos.

Isótonos

Regla nemotécnica

ISÓTONOS

ISÓTOPOS

ISÓBAROS

Igual número de neutrones (N)

Igual número deprotones (P)

Igual númeromásico (A)

ISÓTONOS

ISÓTOPOS

ISÓBAROS

Ejemplos

isótopos

isótopos

isótonos

isóbaros

H H 31

11

B N 125

147

C C 146

126

Pd Ag 10746

10747

Propiedades del núcleo

Masa nuclear Tamaño nuclear Espín nuclear Fuerzas de interacción

Masa nuclear

La masa está dada generalmente por el núcleo A mayor cantidad de nucleones, mayor masa

Unidad de masa atómica

UMA : doceava (1/12) parte de la masa de un carbono-12.

Hidrógeno-I: 1,7 x 10-24 gUranio- 238: 4,1x 10-22 g

La masa promedio se calcula con el porcentaje de abundancia de los isótopos estables (pág 71)

Ejercicio

El átomo de cloro, Cl-17, tiene dos isótopos con masas atómicas 35 uma y 37 uma. Los porcentajes de abundancia son 75,4% y 24,6%.

Calcular masa atómica promedio 35,49 uma

Tamaño nuclear El volumen nuclear es proporcional a la cantidad de

nucleones y la dispersión de sus partículas

Fuerzas nucleares Hay interacciones fuertes y débiles Tienen influencia al interior del núcleo Determinan la estructura del núcleo La interacción nuclear fuerte es la responsable de

mantener unidos a los nucleones (protones y neutrones) que coexisten en el núcleo atómico, venciendo a la repulsión electromagnética entre los protones que poseen carga eléctrica del mismo signo (positiva) y haciendo que los neutrones, que no tienen carga eléctrica, permanezcan unidos entre sí y también a los protones.

Las partículas conocidas hasta ahora pueden explicarse por la combinación de partículas llamadas quarks

Existen partículas elementales y sus respectivas antipartículas

Hadrones (responden a interacciones fuertes) protón, neutrón, mesones

Leptones (no responden a interacciones fuertes, sin estructura interna) electrón, positrón

Quarks (constituyentes fundamentales de los hadrones)

Energía y estabilidad nuclear

Algunos núcleos son inestables y se rompen emitiendo partículas y radiaciones

Hay una transformación del núcleo porque cambian el número de protones y neutrones

Este fenómeno se conoce como radiactividad

Factores de estabilidad nuclear:

Relación protón/ neutrón

Energía de ligadura de nucleones: Al medir la masa del núcleo y compararla con la de sus

nucleones por separado se descubrió que la masa del núcleo es menor que la suma de los nucleones que lo forman. Defecto de masa (∆ m)

E = m c2 Parte de la masa de los nucleones se transforma en

energía que los mantiene unidos.

Energía de ligadura (Eb): j

Eb: ∆ mc2

Los isótopos estables tienen una relación neutrones / protones que está dentro de la “banda de estabilidad”. Se puede establecer que:

- Para los isótopos ligeros (masa atómica pequeña), la relación estable es de 1.

- Para los isótopos pesados aumenta hasta cerca de 1,5. - No existen isótopos estables para elementos químicos de número

atómico mayor a 83 (por ejemplo, el bismuto). Los isótopos que tienen una relación neutrones / protones mayor o

menor al “cinturón de estabilidad” son inestables y se descomponen espontáneamente por medio de un tipo de reacción nuclear.

Los núcleos inestables, producen reacciones químicas conocidas como descomposición radiactiva o desintegración.

Actividad pág. 361

Henry Becquerel1852-1908

Marie y Pierre Curie

Descubrieron que todos minerales del uranio son radiactivos

Polonio (Z=84) Radio (Z=88)

Radiactividad

Notación nuclear: En las reacciones nucleares, un núcleo puede ganar o perder neutrones y protones

Las reacciones nucleares se pueden representar a través de ecuaciones

Se utiliza la notación núclido

Radiación alfa

Flujo de partículas formadas por dos protones y dos neutrones

Tiene una masa de 4 uma y una carga +2 Tiene la estructura de un núcleo de Helio 4He2

Debido a su elevada masa y volumen, tienen bajo poder de penetración pero elevado poder ionizante

Viajan a 1/10 de la velocidad de la luz

Radiación Beta

Haces de partículas con carga negativa -1 7000 veces más pequeñas que las alfa Tiene una masa de 0,00055 uma Viajan a una velocidad cercana a la luz Poseen un poder de penetración medio 0 e-1

Radiación gamma

Radiación electromagnética idéntica a la luz, pero con contenido energético muy superior

Tiene alto poder de penetración Viaja a la velocidad de la luz

Actividad: Completa el siguiente cuadro resumen

Nombre Símbolo Naturaleza Carga Masa (uma) Velocidad

Alfa

Beta

Gamma

Actividad próxima clase

Reunirse en grupos de 5 personas y traer los materiales:

Caja de zapatos 100 monedas de 1 ó de 5 Cronómetro

Estabilidad Nuclear: Actualmente se conocen alrededor de 1500 núcleos

diferentes de los que cerca de 300 son estables, es decir, no presentan tendencia a descomponerse con el transcurso del tiempo.

La estabilidad de un átomo está en función de la relación neutrones/protones que cambia con el número atómico. Esta relación tiene un valor próximo a uno para los elementos químicos ligeros, ( 6

12C, 714N y 8

16O )son estables.

A medida que aumenta el número atómico la relación neutrones/protones aumenta hasta cerca de 1.5 en los elementos químicos pesados, por ejemplo, 82

206Pb.

Reacciones nucleares

Un núcleo inestable, llama núcleo padre, emite radiaciones en forma espontánea y se convierte en un núcleo estable, llamado núcleo hijo.

Está determinado por el número de protones y neutrones y la transformación mutua de las partículas

Reacciones nucleares (decaimiento radiactivo)

Ocurre cuando un núcleo inestable, llamado núcleo padre, emite radiaciones transformándose en un núcleo estable llamado núcleo hijo.

Se ha comprobado experimentalmente que los núcleos estables tienen un número igual o casi igual de protones y neutrones, o cuando el número de protones y neutrones es un número par

En las reacciones químicas los átomos se reordenan por la ruptura y formación de enlaces químicos, en los que sólo participan los electrones.

En las reacciones nucleares, los átomos se interconvierten los unos en los otros, implicando protones, neutrones y otras partículas elementales

Tipos de decaimiento radiactivo:

Núcleos por sobre el cinturón de estabilidad: Neutrones > protones Necesita aumentar el número de protones

para estabilizarse Transforma neutrones en protones liberando

partículas negativas (0e-1) conocida como radiación beta negativa

234Th90 234Pa91 + 0e-1

Núcleos por debajo del cinturón de estabilidad:

Protones > neutrones Se transforman protones en neutrones Se libera una partícula con carga positiva,

llamada radiación Beta positiva (0e+1)

22Na11 22Ne10 + (0e+1)

Núcleos con Z mayor o igual a 83: Sufren decaimiento tipo alfa (4He2) Da origen a un núcleo hijo con A= A-4 y Z = Z-2

210Po84 206Pb82 + (4He2)

Actividad 1.- Identifica a qué tipo de emisión corresponden las siguientes ecuaciones; señala cuáles son los elementos que interactúan y explica brevemente en qué consiste el proceso.

2.- Plantea la ecuación de decaimiento radiactivo de los siguientes elementos:a. U-238, que es un emisor de partículas α.b. K-40, que es un emisor de positrones (β+).