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5/26/2018 Radioactividad UNFV
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Proyecto Newton. MEC. Jos Villasuso
RADIACTIVIDAD
Introduccin
El descubrimiento de la radiactividad en 1986 por Henry Becquerel, y el
posterior estudio emprendido por l mismo y por el matrimonio Curie, puso de
manifiesto que los elementos de mayor masa emiten continuamente un tipo de
radiacin.
El estudio de los componentes de esta radiacin, de las leyes de la
desintegracin, de la constitucin del ncleo atmico y de las reaccionesnucleares, constituyen el cuerpo de conocimientos de la Fsica Nuclear.
Descubrimientono buscado?
El descubrimiento de la radiactividad es un ejemplo de cmo debe proceder un
cientfico en la bsqueda de las causas de un fenmeno.
Becquerel es un ejemplo. Ante una placa fotogrfica estropeada de un modo
extrao, aplica su inmensa curiosidad cientfica y trata de averiguar que ocurri.
Al hacerlo realiza el descubrimiento de la radiactividad.
Inicio de la Fsica de Partculas
La utilizacin de las partculas subatmicas como proyectiles lanzados sobre
un ncleo, permite el conocer la constitucin del ncleo de lo tomos.
El estudio de la composicin del ncleo pertenece a una rama de la Fsica
llamada Fsica de Partculas(CERN) . Por cierto en su pgina de entrada pone
"...where the web was born!"
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Proyecto Newton. MEC. Jos Villasuso
La comprensin de los fenmenos radiactivos y la Fsica de Partculas
permitieron la confirmacin de la suposicin de Einstein de que la materia es
como una forma de guardarse la energa (E = m c2): la materia es energa.
Materia y energa son convertibles una en la otra y viceversa.
Permite entender el funcionamiento del Sol
El estudio de las reacciones nucleares y su comprensin permitieron entender
cmo funciona el Sol, de que manera quema su combustible e incluso a
predecir su duracin.
Esta comprensin del funcionamiento del Sol es, por lo tanto, bastante reciente.
La Fsica de Partculas permite comprender cmo la energa de un gran
estallido llamado Big Bang se convirti en la masa que nos forma, y cundo y
cmo se fue condensando en tomos simples y en otros ms complejos en el
corazn de las estrellas hasta dar esta diversidad de materia que existe en el
Universo. Recuerda que somos polvo de estrellas.Entre los productos de ese horno solar estn las sustancias radiactivas.
La radiactividad artificial, creada recientemente por el hombre, fue antes una
radiactividad que existi, en la naturaleza (radiactividad natural) y en muchas
partes del Cosmos.
La creacin: un origen simple y puntual
La diversidad de la materia sugiere un origen diverso con una creacin
particular para cada cosa (..se cre el Sol, la Tierra, los animales) y no un
origen simple para todo: un puntual estallido de energa.
Despus del Big Bang todo evoluciona sometido a unas leyes fsicas
inexorables.
Actividad.- Busca el significado de inexorable
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Proyecto Newton. MEC. Jos Villasuso
Qu importante es la Radiactividad!. Gracias a ella entendimos los conceptos
anteriores.
Nota: debes cerrar el cuadro emergente que surge al pulsar los botones antes
de lanzar otro.
Actividad: Comprueba, buscando en el diccionario de la Real Academia
Espaola, si se dice Radiactividad o Radioactividad
Pretendemos que al finalizar el estudio del tema seas capaz de:
Conocer el origen de la radiactividad, su composicin y propiedades. Comprender cmo la utilizacin de estas partculas como proyectiles
llev al estudio y a la comprensin del ncleo atmico y al
descubrimiento de otras partculas.
Conocer las leyes que rigen la desintegracin radiactiva.
Entender y ser capaces de escribir los smbolos y las ecuaciones de los
procesos radiactivos.
Comprender y manejar en la resolucin de problemas los conceptos deconstante radiactiva, periodo de semidesintegracin y vida media.
Aprender a realizar clculos de las variaciones energticas asociados a
las reacciones de desintegracin radiactiva.
Entender el concepto de energa de ligadura atmica y su valor por
nuclen.
Entender la energa de fusin y de fisin como dos fenmenos de
cambio energtico que acompaa en la produccin de tomos ms
estables en sus respectivas reacciones.
Objetivos de la unidad
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Aprender a valorar las ventajas y los riesgos de la energa nuclear.
Aprender a buscar en la RED y a diferenciar los enlaces importantes e
institucionales. Consulta con el profesor cuando encuentres
informaciones contradictorias.
Qu es la radiactiv idad?
Es la propiedad que tienen ciertas sustancias de emitir radiaciones.
Becquerel, estudiando la fluorescencia, descubri que algunas sustancias
emiten espontneamente, sin estimulacin previa, y de manera continua,
radiacin.
Como se acababan de descubrir los rayos X, pens que lo que emitan las
sustancias radiactivas era una radiacinsemejante. Hoy sabemos que esa
radiacin incluye rayos gamma y dos tipos de partculas que salen a gran
velocidad: y .
Las radiaciones gamma son ondas electromagnticas (ms energticas que los
rayos X). En realidad, incluso la radiacin luminosa, contienen fotones que se
comportan como partculas.
Las partculas alfa y beta llevan una onda asociada (De Broglie).
http://newton.cnice.mec.es/2bach/cuantica/cuan_debroglie.htm?2&0(Si esto te
qued confuso sigue leyendo el tema y luego puedes ampliar en el enlace
anterior lo que aqu se afirma. Se abrir otro navegador que puedes minimizar
para volver a esta pgina
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Becquerel estudi la posible emisin de rayos X por las sustancias
fosforescentes.
Fluorescencia
La fluorescencia es la luminiscencia producida por determinados minerales
cuando son expuestos a la accin de ciertos rayos (rayos X, ultravioleta,
visibles, catdicos y radiactivos). Estas radiaciones son transformadas por el
mineral en ondas luminosas de longitud de onda mayor que la de los rayos que
inciden en l. A diferencia de los casos de luminosidad fosforescente, en la
fluorescente la emisin luminosa cesa en el instante en que se suprime la luz
excitante. Ejemplo de minerales emisores de luz fluorescente son el palo, la
fluorita y algunas calcitas.
Pulsa en la imagen para ver la pgina de esta fluorita.
Pulsa aqu para ver otros minerales.
Cuando en una pantalla se producen escintillaciones (centelleos, destellos) al
impactar sobre ella rayos X, esa pantalla es de un material fluorescente
Fosforescencia
La fosforescencia es la luminiscencia producida por un mineral durante un
tiempo ms o menos largo, despus de que ha cesado la fuente de radiacin
excitadora.
Ejemplo de minerales fosforescentes son la blenda y determinadas calcitas.
Descubrimiento y deducciones iniciales (un ejemplo de investigacin)
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La posicin de las agujas y los nmeros de los relojes se pueden ver en la
oscuridad porque estn recubiertos de una sustancia fosforescente.
Usaba una sustancia fosforescente (sales de uranio) y una placa fotogrfica.
Envolva la placa en papel grueso y negro para que los rayos solares no la
velaran y colocaba las sales de uranio encima. Los rayos que emita la sal eran
muy energticos, atravesaban el papel y ennegrecan la placa. Se formaba una
imagen en la placa que era la silueta del trozo de sal depositada sobre el papel.
Procedimiento:Colocaba la sal a la luz del Sol para que los rayos solares la
hicieran ms fosforescente y despus depositaba la sal sobre el papel que
recubra la placa.
Afortunado accidente: Un da nublado, sin fuerte luz solar, no realiz
experiencias y guard las placas y la sal en un cajn (febrero 1886). Das
despus revel las placas esperando que la sal fosforescente emitiera algo,
pero poco, y que dejara un tenue rastro en la placa. Descubri, por el contrario,
que la placa estaba muy impresionada. Ms que en sus exposiciones
habituales al sol que siempre estimulaban mucho la fosforescencia de la sal!.
Cmo proceder ante este hecho?
Experimentos de Becquerel:
Una vez conocido el fenmeno y para estudiarlo cuantitativamente defini:
Las variables a medir: Tiempo de exposicin de la placa a la sal, intensidad
de la mancha y masa de la muestra.
Mtodos de manipulacin para variar los factores de uno en uno y observar su
influencia.
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1.- Experiment con diferentes minerales de uranio y obtuvo siempre el mismo
resultado. Tanto si los expona a la luz como si no persista la emisin de rayos.
2.- Interpuso placas de vidrio entre la sal y la placa y comprob que los rayos
pasaban igual.
3.- Cambi de posicin la placa respecto a la muestra de sal y la placa se
ennegreca igual.
4.- Puso las muestras al lado de un electroscopio cargado y observ que
ionizaban el aire y se descargaba rpidamente.
5.- Aument la masa del compuesto de uranio y comprob que la rapidez con
que la placa se ennegreca aumentaba.
6.- Calent la sal, la enfri, la tritur, la disolvi en cidos, y la emisin de
radiacin no vari con ninguno de estos cambios.
Actividad: Qu conclusiones puedes sacar de cada tipo de experiencia y del
proceder de Becquerel?. Escrbelas en tu libreta. Si no se te ocurre nada (sin
hacer trampas) consulta en:
Conclusiones generales de las experiencias de Becquerel
Lo ms curioso de esta radiacin es que:
Es espontnea, no requiere aporte de energa externa para iniciarse
como ocurre en la fosforescencia.
Es continua y persistente.
No podemos modificar su ritmo de emisin, ni con calor, ni con ningn
agente qumico como ocurre en las reacciones qumicas.
Es un fenmeno nuevo: lo que empez siendo un estudio de la
fosforescencia acab en el descubrimiento de la Radiactividad.
Es un fenmeno que depende del nmero de tomos: cuanta ms masa,
ms radiacin.
Es un fenmeno que depende del ncleo de los tomos de uranio y no
de los electrones de las capas externas. Los electrones de la parte
exterior del tomo son los que intervienen en la reacciones qumicas (las
reacciones radiactivas son de otro tipo).
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5/26/2018 Radioactividad UNFV
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Separacin de los componentes de la radiacin: campo magntico
Sometemos la radiacin aun campo magntico
establecido entre los polos
de un electroimn.
La ley de Lorentz establece
el valor y el sentido de la
fuerza sobre la carga
positiva (sobre la negativa
es la opuesta).
La fuerza (F) es
perpendicular al campo (B) y
a la velocidad (v). La fuerza
aplicada sobre la partcula
alfa (+) est dirigida hacia
dentro del monitor.La fuerza sobre la partcula beta est dirigida hacia nosotros y la desva hacia
arriba.
El campo magntico de un imn es de 0.1 a 1 Tesla.
F = q [v ^ B]
F = ma = mv2/R
R = mv / qB
Observa: Sobre cada partcula se ejerce una fuerza diferente, perpendicular alcampo -B- y a su velocidad y de sentido dado por la ley de Lorentz (regla de lamano izquierda). Si aumentas el valor del campo, la separacin ser mayor.Aunque el haz de partculas no tiene color, se les asigna uno paradiferenciarlos.
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Los electrones tienen menos masa y mayor velocidad que las partculas alfa, la
fuerza sobre ellas es mayor y la curva que describen es muy cerrada. Una
curva muy abierta tiene un radio de curvatura muy grande (con un R = infinito la
trayectoria sera la de una lnea recta ). Por lo tanto las partculas betase
desvan ms que las alfa ya que tienen una trayectoria ms cerrada, de radio
ms pequeo que el de la curva de las alfa.
Relacin de los radios de curvatura
Un partcula cargada que est sometida a un campo magntico sufre unafuerza perpendicular a su trayectoria que le hace describir una circunferencia
de radioR = mv / q B
Lanzamos las dos partculas dentro de un mismo campo magntico. Para lapartcula el radio ser:R= mv/ q B
Para la partculael radio ser:R= mv/ q B
Dividiendo miembro a miembro las ecuaciones de los radios:R/ R = m v q B/ q Bm v= m v q/ qm v
La masa de las partculas es 1830 veces menor que la de un protn. Por lotanto, como la partcula est formada por dos protones y dos neutrones demasa casi igual, tiene una masa 7320 veces mayor. En realidad este nmeroes bastante menor porque la partcula beta lleva una velocidad muy alta y porlos efecto relativistas su masa es mayor. Pero lo dejaremos as para un primerclculo estimativo.
La carga de la partculaes doble de la .
La velocidad de las partculas es casi la de la luz y las de las 15000 km/s(casi unas 20 veces menor),
Sustituyendo en la relacin unos valores en funcin de los otros:R/ R = m v q/ q m v= m 20 v2 q 7320 m v q= 40 / 7320
R= R/ 183El radio de curvatura de la trayectoria de las partculas es 183 veces menorque el de las , por lo tanto da una curva ms cerrada. Por lo dicho de la masade los elctrones movindose muy rpidos, este nmero ser menor.
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Separacin de los componentes de la radiacin: campo elctrico
El primer paso para estudiar las radiaciones es separar sus componentes
sometindolas a un campo elctrico y despus analizarlos de uno en uno.
Las partculas se aceleran de manera desigual y en direcciones opuestas
porque tienen diferente masa y carga.
Hacemos pasar la radiacin por un campo elctrico establecido entre dosplacas cargadas con cargas opuestas.
La desigual fuerza ejercida sobre cada componente les comunica una
aceleracin diferente y los separa.
F = QE
F = Ma
a = QE / M
Deduce la carga de las partculas observandocmo se mueven en el campo. Laspartculas se desviarn segn la direccin del campo elctrico (el sentido del campo vade la placa positiva a la negativa). Las de carga positiva aceleran en la direccin delcampo desvindose hacia la placa negativa. En sentido contrario se mueven lasnegativas
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La carga de una partcula alfa es: Q = + 2 carga electrn;
Masa de la partcula alfa ( 2 p +2 n) = aprox (4protones).
La masa del electrn en reposo es 1830 veces menor que la del protn.
Las partculas beta (electrones) llevan una velocidad mxima de 0.95 c (95% la
velocidad de la luz). Debido a esa velocidad y por los efectos relativistas tienen
una masa mayor que en reposo.
Partculas alfa
Las partculas alfa son ncleos de Helio(tomos de He sin su capa de
electrones). Constan de 2 protones y 2 neutrones confinados en un volumen
equivalente al de una esfera de 10-5
m de radio.
Caractersticas:
Son partculas muy pesadas,casi 8000 veces ms que los electrones y 4 veces
ms que un protn.
Tienen carga positiva (+2) debido a la ausencia de los electrones y son
desviadas por campos elctricos y magnticos.
Alcanzan una velocidad igual a la veinteava parte de la de la luz (c/20) = 15000
km/s. Una gran velocidad!
Poseen una granenerga cintica ya que tienen mucha masa y una gran
velocidad.
Observa que las sustancias radiactivas lanzan las radiaciones con distintavelocidad. Un mismo tipo de radiacin sale con ms o menos velocidad. La
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velocidad mxima de cada tipo de partculas da su poder de penetracin. Qupartcula es la ms penetrante?Cul es la menos? Qu material protegemejor de la radiacin?
A1: Comprueba si todas las lminas de los materiales que se mencionan
detiene las partculas alfa
Debido a su gran energa, al atravesar el aire ionizan muchas partculas antes
de atenuarse despus de recorrer 5 cm. Debido a su tamao, al impactar con la
materia slida recorren poca distancia. Una lmina de aluminio de 0,1 mm de
grosor las frena totalmente e impide su paso, pero ionizan fuertemente la
materia en la que inciden.
Cuando se forman las partculas alfa, el ncleo pasa del estado inicial a otroexcitado de menor energa. Para salir de este estado y quedar estable emite
radiacin .
Cambio de estado energtico: emisin alfa
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Partculas beta
Las partculas beta son electronesmovindose a gran velocidad (prxima a la
de la luz 0.98c = 270000 km/s).
Inicialmente la radiacin beta no fue reconocidas como lo que era: un haz de
electrones. La partcula beta fue identificada como un electrn cuando,aplicando la teora de la relatividad, se calcul la masa de un electrn en
movimiento que coincida con la de la partcula beta. Tiene una masa mmayor
que la mode un electrn en reposo.
mo es igual a la masa del protn dividida por 1830 (casi 2000 veces menor).
Tienencarga negativa ( -1) y son desviadas por campos elctricos y
magnticos.
Tienen energa cintica menor que las partculas alfaporque aunque tienen
una gran velocidad tienen muy poca masa.
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La energa que transporta la partcula beta procede del paso de un estado
inestable de un istopo radiactivo a otro tambin excitado. La cada desde este
estado a otro inferior estable no va acompaada de una emisin.
Cambio de estado energtico: emisin beta
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A pesar de tener menor energa que las alfa, como su masa y su tamao son
menores tienen mayor poder de penetracin. Una lmina de aluminio de 5 mm
las frena.
Se usan istopos radiactivos del yodo en el tratamiento del cncer de tiroides
porque el yodo es absorbido por el tiroides y emite partculas beta que matan
las clulas cancerosas.
Utilizando esta escena comprueba que lmina mnima debe utilizarse para
detenerlas.
Radiacin gamma
Las "partculas" gamma son una radiacin electromagntica (una onda)que
acompaa a una emisin de partculas alfa o beta. Una radiacin tambinpuede considerarse como una partcula de acuerdo con la teora de De Broglie
que afirma que toda onda lleva una partcula asociada (las ondas luminosos
llevan asociados los fotones).
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Caractersticas
No tienen masa en reposoy se mueven a la velocidad de la luz.
No tienen carga elctricay no son desviadas por campos elctricos ni
magnticos.
Poder de penetracin
Al no tener masa tienen poco poder ionizante, pero son muy penetrantes. Los
rayos gamma del Ra atraviesan hasta 15 cm de acero.
Son ondas como las de la luz pero ms energticas an que los rayos X.
Un compuesto radiactivo que se absorba en una glndula y emita radiacin
gamma permite estudiar esa glndula obteniendo una placa, como la
fotogrfica, con las radiaciones emitidas. La tcnica se llama gammagrafa.
Actividad: Lanza esta escena para averiguar qu tipo de material y qu espesor
debe tener para detener estas radiaciones.
Actividad: La radiacin gamma es muy difcil de detener. Es una radiacin degran frecuencia y por lo tanto con una partcula asociada muy pequea que secuela a travs de la materia. Por esta misma razn ioniza menos que loselectrones y las partculas alfa. Qu espesor de plomo se requiere paradetenerlas? Avergualo en la escena.
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Lugar de origen de la radiacin
Las radiaciones salen del ncleo de los tomos radiactivos y se originan por:
transformaciones de neutrones en protones, en la emisin beta.
inestabilidad en los ncleos de mayor masa (Z >82), en la emisin alfa.
Gamow y otros cientficos explicaron, por Mecnica Cuntica, cmo a
pesar de tener de media una energa insuficiente, un grupo de protones
y neutrones pueden escapar de la fuerza nuclear fuerte agrupados en
una partcula alfa.
Para saber ms sobre el ncleo y sobre las fuerzas nucleares utiliza este
enlace.
http://particleadventure.org/particleadventure/spanish/index.html
Relacin de trminos referidos a las caractersticas de los ncleos
Nmero atmico (Z).
Es el nmero de protones. Todos los tomos de un mismo elemento tienen el
mismo nmero de protones (el Uranio tiene Z=92).
Nmero msico (A).
Es la suma del nmero de protones y neutrones. A los protones y neutrones se
les llam nucleonespor su posicin dentro del ncleo.
Nclidos
Son los ncleos de un mismo elemento que son todos iguales entre si, tienen el
mismo A y el mismo Z.
Istopos
Son los tomos de de un mismo elemento que no son totalmente iguales entre
si, tienen el mismo Z, pero distinto A, distinto nmero de neutrones.
Una emisin alfa seguida de dos beta produce un istopo del tomo inicial con
A cuatro veces menor.
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Isbaros
Son los tomos de distintos elementos que tienen el mismo A, pero distinto Z.
Cmo pueden permanecer unidos los protones y neutrones en el ncleo?
Podemos explicar la estabilidad nuclear estudiando las fuerzas de unin o la
energa de enlace.
a) Las fuerzas de unin
Para que el ncleo sea estable se requiere algn tipo de atraccin que de lugar
a una fuerza entre los protones que supere la fuerza de repulsin elctrica de
sus cargas.
En la poca en que se empez a estudiar el ncleo slo se conocan las
fuerzas gravitatorias y las electrostticas. Hoy conocemos la existencia de la
Fuerza Nuclear Fuerte(FNF) de mbito nuclear, que une a los quarks para
formar protones y neutrones.
Fuerza nuclear fuerte
La Fuerza nuclear fuerte que mantiene unidos a los quarks (partculas
constituyentes de los neutrones y protones) en el reducido volumen del ncleo,
surge del intercambio de gluones entre los quarks.
Aunque en el enlace que te sugerimos en la pgina anterior puedes aprender
mucho sobre esta fuerza, te mostramos aqu un resumen de sus
caractersticas:
Es de corto alcance (slo acta en el mbito del ncleo, unos pocos
Fermios:10 -15 m).
No depende de la carga elctrica de las partculas.
Es de carcter saturado: se satura con los ncleos prximos y aunque
existan muchos ncleos en las proximidades no influyen en el aumento
de la fuerza. Al contrario de ella la gravitatoria crece ms cuantos ms
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ncleos estn prximos: retirar una partcula es ms difcil cuantas ms
partculas estn en las proximidades.
Para distancias menores de 1 Fermio la fuerza atractiva se vuelve
repulsiva. Esto es lo que impide que la materia se aplaste totalmente (se
colapsen los ncleos).
Una parte de la FNF (fuerza residual) alcanza ms all del protn o del neutrn
y ejerce atraccin entre los quarks de protones y neutrones vecinos. El
resultado es la atraccin de los protones y neutrones entre s. La FNT supera la
repulsin de la carga elctrica de los protones y origina un ncleo estable queslo se puede romper con un aporte externo de energa.
La consecuencia apreciable de la
estabilidad que estas fuerzas confieren a
los ncleos, y que podemos observar
disponiendo los ncleos estables y los noestables en un diagrama de neutrones
frente a protones, es que:
Los ncleos ligeros estables
contienen igual nmero de
neutrones que de protones.
Los ncleos pesados estables tienen una relacin neutrones / protones
mayor que los ligeros.
Por encina de Z=82 (plomo) aunque el nmero de neutrones es mayor
que el de protones, los ncleos no son suficientemente estables.
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b) La energa
La estabilidad nuclear se puede explicar desde el punto de vista energtico.
Midiendo la variacin entre la suma de la masa de los protones y neutrones
cuando estn separados y su masa cuando estn juntos formando el ncleo, se
puede deducir la energa de enlace entre ellos.
La diferencia de masa se llama defecto msicom.
Para hallar la energa de ligadura del ncleo utilizamos la equivalencia entre
masa y energa expresada en la ecuacin de Einstein: E = mc2.
Defecto msico
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Si en un proceso desaparece la masa de una u.m.a. (unidad de masa atmica), se libera
esta energa:
Segn la ecuacin de EinsteinE = m c2
Teniendo en cuenta que una u.m.a = u (unidad de masa atmica) es
1,660510 -27kg y que la velocidad de la luz son 2,9970108m/s
E = 1,660510 -27 (2,9970108)2= 1,492410-10J
I J = 1V1C
Recuerda que la carga de un electrn es 1,610-19 C.
Le energa de 1 eV equivale en julios a: 1 ev = 1,610-19C.1 V= 1,610 -19 J
E =1,492410 -10J / 1,610 -19J/eV = 931,47 10 6eV = 931,47 MeV
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Como la energa de enlace o ligadura de todo el ncleo depende del nmero de
nucleones, para establecer una escala comparativa de la estabilidad de
distintos tomos se divide la energa de ligadura por el nmero de nucleones
(nmero msico, A) obtenindose el concepto de Energa de Ligadura por
nuclen (E /A).
En la grfica observamos que lamayor energa de ligadura seproduce sobre A= 60 con un valorsuperior a 8 Mev/nuclen.
Las reacciones nucleares que
conduzcan a la produccin de
tomos con mayor energa de
ligadura por nuclen que los iniciales
liberarn energa.
Se pueden predecir los dos tipos de reacciones radiactivas conducentes a
liberacin de energa: procesos de fisin(los tomos de A alto rompen y dan
ncleos con A en torno a los 60) y fusin(los tomos ligeros se unen y dan
ncleos con mayor E /A.
Fisin y Fusin son dos tipos de reacciones que producen liberacin de
energa. Producen ncleos ms estables.
Reacciones de fusin.
Los tomos de H se unen para dar Helio formando un ncleo ms estable.
En el proceso de formacin de He a partir de H se libera energa.
El He tiene ms energa por nuclen, es ms estable que el H y por tanto hay
que aportar energa para romperlo
Reacciones de fisin.
Los tomos pesados (por encima del uranio Z = 82) con energa por nuclen
menores de 8 MeV/A , rompen para dar tomos con energa por nuclen por
encima de 8 MeV/A.En este proceso se libera energa.
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Leyes de la transmutacin radiactiva
Soddy y Fajansenunciaron las leyes de la transmutacin que rigen el proceso
por el que un elemento se transmuta en otro (conseguirlo era el sueo de los
alquimistas).
Emisin alfa (1 Ley de Soddy)
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Los elementos de ncleos con mucha masa, (Z >82 ) expulsan
espontneamente partculas alfa (formadas por dos protones y dos neutrones).
En la ecuacin vemos que se conservan:
A = A -4 + 4,parte superior de la ecuacin .
Z = Z-2 + 2, parte inferior de la ecuacin.
Conservacin de la cantidad de movimiento
En los procesos radiactivos se cumple el principio de conservacin de la
cantidad de movimiento: la cantidad de movimiento del tomo antes de la
transmutacin es igual a la cantidad de movimiento de la partcula y del tomo
que se origina.
Si suponemos que el tomo radiactivo inicial est quieto (sera un caso muy
especial porque siempre est en movimiento), la cantidad de movimiento del
tomo antes de la transmutacin es cero.
La partcula sale despedida en una direccin y el elemento formado en la
opuesta.
La cantidad de movimiento final tambin es cero (la de una partcula anula a la
de la otra).
p = cantidad de movimiento = masa velocidadp Antes= p Despus
p A= 0
0 = Mv'-mv
Mv' = mv
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Conservacin de energa de la emisin alfa
Teniendo en cuenta que el proceso conocido por radiactividad o desintegracin
radiactiva se origina para conseguir una mayor estabilidad del ncleo, ste
pasa a un nivel menor de energa.
Como E = mc2
Esta liberacin de energa se realiza a travs de una disminucin de masa.
E (X,Y)= m c2
E (X,Y) = ( m X- mY- m ) c2
La energa liberada se manifiesta principalmente en forma de energa cintica
de las partculas formadas.
La energa cintica de las partculas alfa les confiere su capacidad ionizadora y
su peligrosidad para la vida.
Emisin beta (2 Ley de Soddy)
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La siguiente ecuacin expresa la relacin entre los elementos y partculas que
intervienen en la emisin beta:
La causa de la emisin beta es que, en el ncleo, un neutrn se transforma enun protn y un electrn. El ncleo emite slo el electrn (partcula beta- )quese forma.
En el proceso se conserva la carga elctrica.
En la ecuacin se conservan:
A = A, parte superior de la ecuacin.
Z = Z+1-1,parte inferior de la ecuacin.
Conservacin de la cantidad de movimiento en la emisin beta
En los procesos radiactivos la emisin de partculas cumple el principio de
conservacin de la cantidad de movimiento:
la cantidad de movimiento del tomo antes de la transmutacin es igual a la
cantidad de movimiento de los partculas y tomos que se originan.
Al estudiar la conservacin de la cantidad de movimiento se comprob que no
se cumpla por lo que W. Pauling postulo en 1930 la existencia de otra partcula
que llam neutrino - partcula escurridiza de masa en reposo cero-. Elneutrino se identific en una reaccin en 1958.
En la emisin beta aparece el antineutrino, una partcula de antimateria.
Introduciendo esta partcula en los clculos, se cumple el P.de conservacin de
la cantidad de movimiento.
Si suponemos que el tomo inicial est quieto, la cantidad de movimiento antes
de la transmutacin ser cero.
La partcula beta sale despedida en una direccin y el neutrino y el elemento
formado en otra.
La suma de sus cantidades de movimiento ser cero.
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Sumados los vectores dan cero (unos neutralizan a los otros).
p = cantidad de movimiento = masa velocidad
p Antes= p Despus
p A= 0
0 = Mv'-mv
Mv' = mv
Conservacin de energa en la emisin beta
El proceso conocido por radiactividad o desintegracin radiactiva se origina
para conseguir mayor estabilidad del ncleo. Esto supone que el ncleo pasa a
un nivel menor de energa.
Como E = mc2
Esta liberacin de energa se realiza a travs de una disminucin de masa:
E (X,Y)= m c2
La masa del electrn la despreciamos porque es mucho menor (1830 veces )
que la del protn y la del neutrn:
E (X,Y) = ( m X- mY) c2
Hallando la variacin de masa podemos calcular la energa asociada al
proceso:
E (X,Y) = ( m n- mp) c2
E (X,Y) = (1,008665 - 1,007276)u = (1,008665 - 1,007276)u 931,7 Mev/u = 1,29 Mev.
Esta es la energa mxima que puede llevar el electrn emitido.
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MagnitudesConstante radiactiva |Actividad|Periodo de semidesintegracin | Vida media
Conceptos previosMasa atmica.
Cada istopo de un elemento tiene una masa atmica que corresponde a la
masa de los protones y neutrones que lo forman disminuida en una cantidad
relacionada con la energa de enlace de dicho ncleo por la ecuacin de
Einstein: E = mc 2.
La masa atmica de un elemento viene condicionada por el porcentaje en quese encuentran en la naturaleza los istopos que lo forman.
Ej: El uranio natural (masa atmica 238,07) tiene diferentes istopos y cada
uno en diferente proporcin 235U (0,71%), 238U (99,28%), 234U (0,006%).
La unidad de masa atmica es la u.m.a = 1,660510-27 kg (es la 1/12 de un
tomo de carbono 12C. Una cantidad muy, muy pequea!
La desaparicin de una u.m.a transformada en energa produce 931 Mev
(mega electrn voltio). 1 e.V= 1,6910-19 julios tal como predice la Ecuacin de
Einstein.
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Nmero de Avogadro y Masa atmica
Un mol de cualquier istopo es igual a 6,0231023tomos idnticos. Este
nmero tan grande es el llamado Nmero de Avogadro. La masa de este
conjunto de tomos se llama Masa atmica.
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N de moles = masa sustancia / Masa atmica.
1 mol de tomos de un istopos =>6,0231023 tomos.
Constante radiactiva.
La constante radiactiva o constante de desintegracin ( ), es un coeficiente de
proporcionalidad que regula la igualdad entre los tomos que desaparecen en
un tiempo t, (-dN) con los iniciales tomos iniciales (No) para cada nclido
radiactivo :-dN = - N dt
Si la expresin anterior la ponemos en la forma: -dN / Nodt =
mide la probabilidad de transformacin de un tomo en la unidad de tiempo
que se tome (segundo, hora, ao, etc). Si de 100 tomos iniciales se desintegra
1 en un segundo, la probabilidad de desintegracin es 1/100 = 0,01 = 1% por
segundo.
La unidad es s-1(o cualquier unidad de tiempo elevada a menos uno)
As si del Ra es 0,00042 aos -1= 1 / 2230 por ao, indica que la probabilidad
de desintegracin radiactiva es de un tomo por cada 2330 tomos radiactivos
en un ao (0,00042 = 0,042%). Esto puede parecer poco, pero recuerda que 1
mol de uranio (238,02 g) contienen 6,0210 23 tomos. Como la vida media es:
para el uranio, la vida media es 2330 aos.
Ver conceptos relacionados: Periodo de Semidesintegraciny Vida Media.
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Expresin matemtica de la ley de desintegraciones radiactivas
Actividad 1: Mueve el punto rojo sobre la curva. Comprueba el tiemponecesario para que los No iniciales se conviertan en No/2.
Las unidades de tiempo dependen de las de la constante radiactiva: si las deesta son 1/aos, el tiempo se expresa en aos; si son 1/s, el tiempo se mediren segundos. Comprueba que una vez transcurrido T (semiperiodo),necesitamos que transcurra otro tanto tiempo para que slo desaparezcan lacuarta parte de los tomos iniciales.
Segn transcurre la desintegracin, en un mismo tiempo T, se desintegrancada vez menos tomos
Actividad 2: Comprueba que cuanto ms grande sea la constante radiactiva,menor es el periodo de semidesintegracin.
Esta expresin permite calcular los Ntomos que quedandespus de un tiempot.
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Partimos de Notomos iniciales de una determinada sustancia radiactiva deconstante. Despus de un tiempo tquedan Ntomos.La expresin exponencial, puede expresarse tambin de esta forma:
Expresin matemtica de la ley de transmutaciones radiactivas
Tenemos una sustancia radiactiva que contiene No tomos y va a comenzar
una desintegracin de constante radiactiva . Al cabo de un tiempo t, quedarn
sin desintegrarse N tomos de la poblacin inicial.Los tomos transmutados sern:
Como hay menos tomos finales que iniciales para hacer el incremento positivo
(final menos inicial) ponemos el signo menos. Establecemos una
correspondencia entre los que se transmutan y los iniciales en un tiempo que
va a ser regulada por la constante de desintegracin para cada sustancia.
Para un tiempo muy pequeo:
Integrando:
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Esta expresin muestra los tomos que quedan sin desintegrarase, N, de una
poblacin inicial de No.
El N de tomos de la sustancia radiactiva (la consideramos aislada de las que
origina, fijndonos slo en sus tomos) es funcin de la constante de
desintegracin radiactiva y del tiempo.
El nmero de tomos que permanece sin transmutarse sufre una disminucin
exponencial.
Se puede expresar en funcin del periodo de semidesintegracin adquiriendo la
ecuacin la siguiente forma:
Ver transformacin.
Si partimos de la expresin del semiperiodo
eT = 2
Extraemos la raz T de los dos miembros:
e = raz T de 2
Elevamos las dos expresiones a "t":
et= 2t/T
La inversa de la expresin es:
et= 2-t/T
Sustituyendo la expresin anterior en la expresin:
obtenemos:
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2 expresin del decaimiento exponencial
Magnitudes: actividad
La actividad de una muestra de una sustancia radiactiva es el nmero de
ncleos que desaparecen por unidad de tiempo y representa la velocidad de
desintegracin. Depende de la cantidad de muestra y sus unidadesson: el
Curie y el Rutherford.
La actividad es mayor cuanto mayor sea la constante radiactiva (l) y el nmero
de ncleos presentes.
La actividad inicial de un istopo es mayor inicialmente que cuando ya se
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transmutaron algunos ncleos, siempre que el istopo que se forme no sea
tambin radiactivo en cuyo caso tenemos una serie radiactiva.
Si multiplicamos los dos trminos de la siguiente expresin
por :
obtenemos al sustituir A por N
Esta es la expresin de la actividad de los istopos de un solo tipo presentesen una muestra. Su valor disminuye exponencialmente, lo mismo que el
nmero de tomos que se transmutan.
Magnitudes: Periodo de semidesintegracin
La radiactividad no es un fenmeno peridico, en ella no se repite nada
cclicamente.
Se llama periodo de semidesintegracin el tiempo que tardan en transmutarsela mitad de los tomos radiactivos de una muestra: el necesario para que los
No tomos iniciales pasen a No / 2. En ese tiempo se forman No / 2 tomos
diferentes (transmutados de los iniciales.)
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Actividad 1:Mueve el punto rojo sobre la curva. Comprueba el tiemponecesario para que los No iniciales se conviertan en No/2. Las unidades de
tiempo dependen de las de la constante radiactiva: si las de sta son 1/aos, eltiempo se expresa en aos; si son 1/s, el tiempo se medir en segundos.Comprueba que una vez transcurrido T (semiperiodo), necesitamos otro tantotiempo para que slo desaparezcan la cuarta parte de los tomos. Segntranscurre la desintegracin para el mismo tiempo se desintegran cada vezmenos tomos
Actividad 2: Comprueba que cuanto ms grande sea la constante radiactivamenos es el periodo de semidesintegracin.\Para ello aumenta el valor de laconstante con el ratn y comprueba en la escena que el valor de T se hacems pequeo
Si tenemos un milln de tomos radiactivos y el periodo de semidesintegracin
es un ao, tardarn un ao en convertirse en 500.000.
Pero transcurrido otro ao an quedarn 250.000, y en otro ms quedarn
125.000. Cada vez se desintegran menos tomos en un mismo tiempo.
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No tomos iniciales tardan T 1/2 en ser No/2
Debido a la forma exponencial de desintegracin, la muestra tarda mucho en
convertirse en inactiva. Esto, unido a que no se pueden acelerar los procesos
de desintegracin, es uno de los peligros de la radiactividad.
Clculos matemticos del periodo de semidesintegracin.
Partimos de la frmula de la desintegracin radiactiva:
Llamamos periodo de semidesintegracin al tiempo que tardan una poblacin detomos en reducirse a la mitad.
Sustituimos el nmero de tomos N en un momneto dado, por el valor de los iniciales
dividido por 2 (se reducen a la mitad):
Tenemos:
Haciendo operaciones (eliminando y tomando logaritmos) queda:
Como el tiempo t que ha transcurrido para que los tomos iniciales se redujeran a la
mitad porla transmutacin del resto, tenemos:
Cada elemento radiactivo tiene un periodo de semidesintegracin distinto que depende
de la constante radiactiva segn la relacin anterior.
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Magnitudes: Vida media
La vida media representa el promedio de vida de un ncleo atmico de una
muestra radiactiva.
Es el tiempo, calculado estadsticamente, que un ncleo radiactivo de una
muestra puede permanecer sin transformarse en otro.
Grfica
Ejercicio: Pulsa sobre el punto rojo y desplzalo.
Observa que el valor de Vida Media de un tomo de un istopo radiactivo tieneun valor inverso al de la constante radiactiva.
Cada istopo radiactivo tiene una constante radiactiva a la que correspondeuna Vida Media propia de ese istopo. El uranio tiene la suya lo mismo que elradio etc., pero como el radio puede transformarse en otros elementos de dosmaneras diferentes-por dos caminos-, cada una de ellas tiene su propia
constante radiactiva.
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La vida media es inversamente proporcional a la constante radiactiva y es una
caracterstica invariable para una determinada desintegracin de cada tipo de
ncleo radiactivo.
Los aos que "puede vivir" un individuo de un grupo (regin, pas, etc) es la
vida media de ese colectivo.
Si sumamos las edades de las persona fallecidas en un ao (o en otro periodo)
y la dividimos entre el nmero total de individuos hemos hallado la media
aritmtica de sus vidas.
Podemos hacer lo mismo para calcular cuanto puede durar un tomo
cualquiera de una poblacin de tomos que experimenta un tipo de
desintegracin.
Clculos matemticos de la vida media
Si sumamos los aos vividos por las personas fallecidas en un determinado
ao y dividimos por el nmero de fallecidos tenemos la vida media de esa
poblacin:
media= 70 + 75 +82+ 23+12+ 56+ 72+ 74+..... / n total
Si la muestra es amplia, los aos vividos por varias personas coinciden, por lo
que, en lugar de repetirlos en la suma, se multiplica cada edad repetida por el
nmero de personas que la vivieron
Qmedia = n 1t1+ n2t2+ n3t3 +... / N
Siendo N = n1+ n2+n3+....
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Unos calculos matmticos ms precisos nos conducen a las expresiones
siguientes:
La integral representa la suma de los infinitos trminos de la muestra cada uno
multiplicado por su tiempo de existencia antes de transmutarse..
Hemos sustituido dN por su valor hallado derivando a partir de la expresin:
La integral de la expresin conduce a:
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Series radiactivas: naturales
Son las del Torio- 4n-, Actinio- 4n+3- y Uranio- 4n+2 (mostrada aqu).Todas acaban en un istopo estable del Plomo
Observa queal aumentar el nmero de niveles de desintegracin aparecendistintos elementos como consecuencia de las distintas emisiones (alfa o beta).
Los formados se descomponen para dar otros.
Puedes ver el nmero atmico (Z) y el nmero msico (A) de cada uno. Debesrecordar que cada etapa tiene una constante radiactiva diferente y diferentesperiodos de semidesintegracin.
Los nmeros msicos de todos los elementos de esta serie del Uranio seajustan a la frmula 4n+2 (comenzando por n=59 y siguiendo por: 58,57...; As
459+2=238).
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Actividad: Estudia el tercer nivel de emisin, escribe la ecuacin de ladesintegracin y comprueba si se cumplen las leyes de la emisin beta encuanto a Z y a A-Let de Soddy-
Comprueba lo mismo en la emisin alfa del nivel cuatro.
Series naturales: Los aproximadamente 40 istpos naturales se agrupan entres series que termina en un istopo estable del plomo. Todas latransmutaciones ocurren por emisiones alfa y beta. Te mostramos aqu la delUranio. Todos los istopos formados tienen un nmero msico-A- dado por lafrmula 4n+2. donde n es un nmero natural del 59 al 51. Comprubalo.
En la serie del Torio la frmula para hallar el nmero msico A es 4n (nempieza por 58).
La serie del Actinio es 4n+3 y la -n- va de 57 a 51
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Serie radiactiva artificial
El istopo estable en el que acaba la serie es el Bismuto.
Observa que: Los nmeros msicos de los istopos de la serie se pueden calcularpor la frmula A=4n+1. En la que n s un nmero natural que va del 60 al 52.
Actividad1: Escribe la ecuacin de la primera etapa y mira si se cumplen las leyesde Soddy.
Usa las Z y la A que figuran en el grfico.
Serie artifi cial: Los elementos radiactivos logrados por el hombre (que ya habandesaparecido de la Tierra) caen en la serie del Plutonio de nmeros msicos- A -dados
por la frmula 4n+1. El istopo estable en el que acaba la serie es el Bismuto.
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Peligro: El paso (nivel de la serie de desintegracin) de mayor periodo desemidesintegracin hace de cuello de botella y en l se acumulan muchos tomosaunque dan la misma actividad que en cualquier otro paso porque se constante espequea.
La actividad de toda la serie no cesa hasta que no se convierte todo en Bismuto.La actividad del conjunto es la actividad de un paso (de igual valor para cualquiera)
por el nmero de pasos de la serie.
Equilibrio radiactivo
Las actividades de los istopos formados en cada paso de la serie radiactiva
son iguales entre si despus de un tiempo. La actividad total de la serie
radiactiva es la actividad de un paso multiplicada por el nmero de pasos.
Clculo matemtico del equilibr io
La actividad depende del tipo de material ( ) y del nmero de tomos del
istopo radiactivo.
Imaginemos que X es el primer elemento de la serie. Al principio slo existen
tomos de l.
Los tomos de X se transmutan en Y acompandose de radiacin. Los Y a su
vez se transmutarn en Z.
Supongamos que Tde X es tres das ( muy alta, se transforman muchos
tomos por segundo) y que el periodo de Y es T' muy grande (pasan a Z
pocos tomos por segundo).
La actividad de X inicialmente es muy grande, pero decrece al disminuir el
nmero de tomos. La actividad de Y aumenta a medida que se forman cada
vez ms tomos.
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Cuando slo quedan Nx tomos de X se alcanza el equilibrio radiactivo: el
nmero de tomos de Y que se transmutan por segundo es igual al nmero de
ellos que se forman (que son los que se transmutan de X). Las actividades de
los dos son iguales.
Como Y se transmuta en Z y la cadena contina y podemos aplicar el mismo
razonamiento:
Para alcanzarse el estado de equilibrio tiene que transcurrir un tiempo desdeque el primer elemento de la serie comenz a desintegrarse.
El valor de la actividad de la muestra y la actividad de cada paso disminuyen
con el tiempo.
Esta ley del equilibrio puede emplearse para hallar la cantidad de cualquier
istopo de la serie siempre que conozcamos su constante radiactiva y la
cantidad de un otro elemento de la serie y su constante radiactiva (tres datos
de los cuatro de una igualdad).
El smil de la cascada de aguaa travs de varios depsitos con orificios de
distinto dimetro aclara las ideas anteriores.
Cuando se alcanza el equilibrio la actividad de cada paso es la misma. El paso
en que es grande (periodo de semidesintegracin pequeo), el N es
pequeo. Si es pequeo N ser grande.
En el smil de la cascada de depsitos, cuando la abertura del orificio es
grande, la altura que alcanza el agua en ese depsito es pequea, y con un
orificio pequeo, la altura ser grande.
La actividad de los istopos que se forman en todas las etapas de la serie
suman sus efectos.
Las desintegraciones por segundo, una vez alcanzado el equilibrio, son iguales
en cada paso y la actividad total es:
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La "cascada" de istopos que se
produce en las series radiactivas
muestra que la actividad de toda
la muestra queda condicionada
no slo por la radiacin de un
paso, sino por todos.
Se puede hacer un smil con
depsitos de agua, con distinto
orificio de salida y colocados en
serie.
El equilibrio de flujo se produce
cuando fluye el mismo caudal de
cada depsito.
El caudal de agua que fluye
equivale a la actividad de un
paso.
El dimetro de sus orificios es el
parmetro equivalente a la
constante radiactiva.
La altura del agua en los depsitos equivale al nmero de tomos de cada
istopo de las etapas.
La actividad de cada paso de la serie es:
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Aequilibrio= N
La actividad total es la actividad de un paso multiplicada por el nmero de
pasos:
Las leyes del equilibrio radiactivo permitieron disear un reloj para datar restos
arqueolgicos. Busca en la RED "tcnicas de datacin" o "Carbono 14"
Radiactividad artificial
Es un tipo de radiactividad que surge de un istopo que producimos
previamente en el laboratorio mediante una reaccin nuclear. Este istopo
sigue todas las leyes radiactivas estudiadas para la radiactividad natural.E n 1919, Rutherford, al bombardear nitrgeno con partculas procedentes
de una sustancia radiactiva, provoc la primera reaccin nuclear conducente a
la produccin artificial de un istopo del oxgeno. El N se transmutaba en O y
emita un protn.
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1 reaccin producida por el hombre
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En 1934, los esposos Irene Curie y Frderic Joliot, estudiando la
produccin de neutrones al bombardear una lmina de aluminio con partculas
alfa, descubrieron que se formaba un istopo radiactivo del fsforo.
Comprobaron que adems de los neutrones aparecan positronesque no
esperaban (ni caba esperar) y que no cesaban de producirse al dejar de
bombardear, tal como suceda con los neutrones.
Produccin de istopos radiactivos
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Los proyectiles utilizados para la produccin de istopos son los neutrones ya
que al no poseer carga elctrica no experimentan fuerzas de repulsinelectrosttica por parte de los protones de los ncleos en los que penetran para
desestabilizarlos.
La produccin de positroneses ms abundante en la radiactividad artificial ya
que en la natural se producen espontneamente partculas alfa y beta y
radiacin gamma.
Los istopos radiactivos artificiales tienen periodos de semidesintegracin
pequeos. Seguramente se formaron al mismo tiempo que los otroscomponentes de Tierra, pero han desaparecido. Actualmente slo quedan
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radioistopos de periodo grande.
En Medicina se manejan diferentes tipos de istopos que son administrados a
los pacientes. Se usan istopos radiactivos en investigacin, para el
tratamiento de tumores malignos o como trazadores para visualizar rganos,
dando lugar a la Medicina Nuclear
Istopos en la Medicina
Se usan en
o investigacin mdica (marcando hormonas o sustancias que se
asimilan en distintas zonas del cuerpo para seguir su distribucin,evolucin y eliminacin por el organismo),
o para detectar tumores (usando sus radiaciones como trazadores
en las tcnicas del PETy GAMMAGRAFIA).
o radiar clulas cancerosas para destruirlas,
o en tcnicas analticas para determinar pequeas cantidades de
sustancia en algunos anlisis.
Se utilizan en
o estado slido(en forma de agujas que se introducen en el tumor y
radian una zona puntual),
o estado lquido (como disolucin inyectables),
o estado gaseoso (como el helio mezclado con aire),
Se obtienen bombardeando los tomos con partculas aceleradas para
hacerlos radiactivos.
Las partculas emitidas (radiaciones) dejan un rastro y de esta manera
los istopos se usan como trazadores.
Se fabrican en laboratorios internacionales y centros mdicos especiales
y se distribuyen a los hospitales. Debido a su corta vida media
(necesaria para que sus efecto colaterales no sean muy pronunciados)
todos los pacientes se citen para ser tratados el da siguiente de la
llegada de los istopos al hospital.
Istopos usados en Medicina Nuclear:60Co , 32P, 125I, 131I, 201 Tl, 99Tc , 89Sr , Fluoro-desoxi-glucosa-F18 (conjunto de
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istopos) y otros.
Verradioistopos en medicina
Se requieren istopos para un TAC? . No, pero averigua en que consiste el
TAC mirando en la RED.
PET
(tomografa de emisin de positrones)
Sociedad Espaola de Medicina Nuclear(ver la pgina de la evolucin del
PET en Espaa)
En Espaa algunos centros hospitalarios albergan en edificios prximos un
ciclotrn (acelerador de partculas), cuya funcin es producir radiofrmacos
emisores de positrones, y laboratorios de sntesis de medicamentos con
molculas marcadas que controlan su calidad y los distribuyen para su
aplicacin clnica y para labores de investigacin.
Mediante el bombardeo de tomos no radiactivos con el ciclotrn se obtienen
radiofrmacos (sustancias con istopos radiactivos). Estos radiofrmacos se
administran a los pacientes y una vez absorbidos por los tejidos emiten
positronesque se usan como trazadores para detectar el lugar de los tumores
(incluso muy pequeos) que los emiten. Las imgenes se ven en una pantalla.
Los istopos radiactivos usados como trazadores son 11C-,15O-, 13N-, 19F. Son
los constituyentes del radiofrmaco Fluoro-desoxi-glucosa-F18 que se sintetiza
en el lugar en que se encuentra el ciclotrn y se distribuye a los hospitales que
no disponen de ciclotrn pero que si tienen tomocmaras. En stas se explora
al paciente que recibi el frmaco radiado para detectar la emisin de
positronesy en ellos se realizan los PET (tomografa de emisin de positrones).
Los radiofrmacos tienen una vida media muy corta, horas o das, lo que hace
de vital importancia contar con un centro productor cerca del hospital. Deben
llegar de forma rpida y ptima a todos los hospitales de la zona que tengancmaras PET.
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GAMMAGRAFAS
Ver gammagrafaspara ampliar el tema
Un compuesto radiactivo que se absorba en una glndula y emita radiacin
gamma permite estudiar esa glndula obteniendo una placa, como la
fotogrfica. Esta placa se llama gammagrafa.
Un ordenador puede convertir las informaciones analgicas que transportan la
radiacin gamma en digitales.
60Co
Es un emisor de rayos gamma. Se se usa para destruir clulas cancergenas.
El haz de rayos gamma se dirige al centro del tumor para que no dae lostejidos sanos.
131I
Este istopo se usa para tratar el cncer de tiroides. El paciente ingiere el yodo
y la glndula tiroidea lo absorbe y emite radiaciones beta y gamma con un
periodo de semidesintegracin de 8 das.
99Tc
Es un emisor de rayos gamma y tiene un periodo de semidesintegracin de 6
horas. Ha sustituido al yodo en el tratamiento del tiroides
El tecnecio y el estroncio, se concentra en los huesos, de ah que se usen en
radiodiagnsticos de huesos.
Inicialmente los primeros investigadores que estudiaron la radiactividad
midieron solamente la actividad de la muestra. Las unidades definidas fueron el
Curie y Rutherford.
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Medida de la radiactividad
Inicialmente los primeros investigadores que estudiaron la radiactividad
midieron solamente la actividad de la muestra. Las unidades definidas fueron el
Curie y Rutherford.
Unidades de actividad
La actividad de una muestra o porcin de materia se expresa endesintegraciones por segundo.
Se definen el Curie y el Rutherford como:
1 Curiees la actividad que corresponde a 1 gramo de radio y produce 3,710 10
desintegraciones / segundo.
1 Rutherfordcorresponde a un milln de desintegraciones / segundo.
Pero es importante conocer no slo el nmero de partculas emitidas sino
tambin la energa total que tienen y la energa cedida en un recorrido a travs
de la materia.
Una unidad de este tipo se puede aplicar a la medida de todas las radiaciones:
radiacin csmica, partculas procedentes del espacio, ultravioleta, rayos X,
rayos gamma, radiacin natural de la Tierra, etc. Debes saber que las dos
terceras partes de la dosis de radiacin ionizante recibida por un hombre
europeo corresponde a la radiactividad de origen natural (del espacio y del Sol)
y una cuarta parte a las irradiaciones por servicios mdicos (rayos X).
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Unidades de exposicin
Roentgen
El Roentgen se defini midiendo la ionizacin del aire atravesado por unaradiacin.
Una radiacin es de 1 Roentgen cuando el aire expuesto a ella se ioniza con un
carga elctrica total de 2,58 10 4 coulombios por kg de aire (medido en
condiciones normales).
Como la medida de los valores de exposicin slo puede hacerse en gases y
se deseaba tener una manera de medir los efectos biolgicos y fsicos de la
radiacin sobre la materia viva, se defini la dosis absorbida.
Dosis absorbida
rad y gray
Para matizar lo importante que era medir adems de la energa absorbida el
nmero de ionizaciones que produce a su paso la radiacin, se introdujo otra
unidad, el rad
Las partculas ms pesadas, a igual energa portadora que una ligera, ionizan
mucho ms.
Se definen el rad y el graycomo:
1 rad(radiation absorbed dose) equivalen a 10 5J absorbidos por cada gramo
de materia expuesta.
En el S.I la dosis de radiacin absorbida es el gray= J/kg.
Su equivalencia es1 gray = 100 rad.
Para matizar la "calidad" de la radiacin absorbida, la unidad definida a partir
de la energa se multiplica por una constante q. Los valores de q son: q =1
para las gamma y beta; q =3 para neutrones trmicos; q =10 para las alfa y
neutrones pesados; q =20 para iones pesados; etc. Por lo tanto la radiacin
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absorbida (dosis absorbida) multiplicada por el factorq dar una dosis
equivalente en cualquier tipo de radiacin.
Dosis equivalente de cualquier radiacin
Rem ySv
Partimos de las unidades de dosis absorbida (rad y gray) y las multiplicamos
por un factor para hallar la equivalencia de energa absorbida de cualquier
radiacin.
Se define el rem como la radiacin de 1 rad exclusivamente de radiacingamma; o la radiacin de 0,1 rem de radiacin alfa.
rem = radq
En el S.I se define el Sievert (sv) = 100 rem (gamma)
Sievert (sv) = 1 gray de radiacin gamma.
Sievert (sv)= 1 gray q
Los valores de q son:
q = 1 para las gamma y beta
q = 3 para neutrones trmicos
q = 10 para las alfa y los neutrones pesados
q = 20 para iones pesados, etc
La dosis absorbida puede referirse a todo el cuerpo o a un rgano en concreto;
se pueden referir a una dosis puntual o expresar la suma de las dosis
acumuladas en un periodo de tiempo.
La dosis de radiacin ionizante en Francia (pas con numerosas centrales
nucleares) es de 3,5 miliSievert ao por habitante (2,4 mSv de la natural y 1,1mSv de la artificial).
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Una exposicin prolongada de todo el cuerpo a 5 Gray es mortal para el 50%
de las personas.
En radioterapia se realizan sesiones de 2 a 3 Gray cuatro das a la semana
sobre una parte del organismo.
Energa Nuclear: Proceso de Fisin
En la fisin,el ncleo estable, al ser bombardeado por partculas, se rompe en
dos ncleos desiguales ms ligeros. En el proceso se libera energa (proceso
exotrmico) y se produce la emisin de varias partculas.
Fisin nuclear
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Los neutrones son buenos proyectiles ya que al no tener carga son menos
rechazados por parte del ncleo. Los neutrones emitidos en la fisin son
neutrones rpidos y con energas altas del orden de 1 Mev. Pueden pasar a ser
neutrones lentos o trmicos, con energas del orden de 1 ev, si pierden parte
de su energa por choques con partculas de un moderador.
La energa de un neutrn lento es suficiente para fisionar el U-235 en dos
partes desiguales.
Los ncleos masivos al romperse producen dos nuevos elementos.
Estos ncleos suelen tener nmeros msicos entre los valores 50 y 82.
El proceso se puede escribir en dos etapas:
Captura delneutrn
Proceso de fisin
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Fisin de Uranio 235
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Este proceso es de gran utilidad porque:
1.- Se libera mucha energa2.- El proceso se automantiene. La liberacin de neutrones, dos o tres por cada
ncleo fisionado (unos 2,5 de media), hace que estos puedan provocar nuevas
fisiones al chocar con otros ncleos originndose as una reaccin en cadena.
Proceso de Fisin: n de neutrones, masa crtica y energa
Para que una reaccin se mantengaes muy importante que por lo menos uno
de los neutrones producidos impacte con otro ncleo frtil (fisionable) y lo
fisione.
En la reaccin se "quema" combustible nuclear.
Destino de los neutrones.
Los neutrones rpidos producidos en una fisin siguen diferentes caminos.
En el grfico puedes ver el destino probable que asigna la estadstica a una
poblacin inicial de 1000 neutrones rpidos en un reactor que contenga U
natural sin impurezas y un moderador.
El U natural contiene dos istopos 235U, 238U
Observa el grfico y lee el texto que figura ms abajo.
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Debido a los repetidos choques con el moderador algunos neutrones rpidos
se vuelven lentos (trmicos) pero no todos producen fisin (ver grfico).
En los procesos de fisin se producen una media 2,5 neutrones rpidos por
cada ncleo fisionado.
Producen fisiones tanto los neutrones rpidos como los lentos, pero un 38,2%
de los neutrones lentos produce fisin en el 235U y sta es la fisin ms
significativa.Haz un grfico que incluya los porcentajes ms significativos. Qu porcentaje
de neutrones lentos son absorbidos por los dos istopos de U sin producir
fisin? Ser el 20,8%?
La constante de reproduccin de este proceso es 1: se producen al final 1000
neutrones rpidos como consecuencia de todas las reacciones, partiendo de
1000 neutrones rpidos iniciales, por lo tanto la reaccin se automantiene.
Factor de reproduccin
El factor de reproduccin para un reactor, k, es el cociente entre el nmero de
neutrones que se crean por segundo en el reactor y los que desaparecen en
los diferentes procesos (fisin, absorcin, fugas, etc.).
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Si k =1 la reaccin se automantiene, decrece si k>1
(explosin nuclear-bomba atmica-).
Seccin eficaz geomtrica
Que un neutrn choque con un ncleo depende de la superficie del ncleo que
obstruye su trayectoria ya que en en el ncleo est concentrada prcticamente
toda la materia. El ncleo se considera un conglomerado de esferas iguales
(nucleones). El radio de todo el ncleo depende de A (nmero de nucleones).
Se ha calculado su valor como: R = 1,210-15(A) 1/3. La seccin eficaz de
choque de todo el ncleo ser : 3,14 * R2.
Todos los ncleos atmicos se agrupan formando el combustible (la materia)
que es la fuente y el blanco que deben atravesar los neutrones.
Existe una probabilidad de impacto que depende no slo de la seccin eficaz
geomtrica de los ncleos, sino tambin de la velocidad del neutrn que los
atraviesa y de lo concentrados que estn los ncleos. Por todo esto se define
una seccin eficaz macroscpica( ).
Los tipos de impactos de los neutrones no siempre son procesos de fisin,
pueden ser dispersiones (cambios de direccin por choque) y absorciones
(capturas sin fisin).
Los neutrones rpidos pierden mucha energa en cada impacto, pero a medida
que decrece su velocidad la seccin eficaz del ncleo con el que impactan y la
fisin que producen se vuelve ms probable.
La distancia que recorre un neutrn entre dos eventos nucleares se llama
recorrido libre medioy es la inversa de la seccin eficaz microscpica.
Masa crtica
La masa necesaria para que la reaccin prosiga aceleradamente se le llama
masa crtica.
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En el grfico se puede ver como en una
masa de 235U puro, tres ncleos de 235U, se
fisonan (se dividen en dos) y emiten tres
neutrones (lneas verdes). Algunos
escapan y otros impactan en un nuevo
ncleo al que fisionarn. En esa masa slo
hay tomos de 235U puro, ni moderadores,
ni impureza, ni 238U.
Para que la reaccin en una masa de 235U
puro sea explosiva, se requiere que el tiempo entre dos eventos (fisiones) sea
muy pequeo y que escapen muy pocos neutrones.
Para los neutrones de cada material combustible (U, Pu, etc) se establece un
recorrido medio libre de impactos de unos pocos centmetros (el que los
neutrones recorren sin producir fisin) y su correspondiente tiempo medio sin
impactos (unas diez millonsimas de segundo).
La muestra radiactiva debe tener un tamao mnimo para que los neutrones no
escapen sin impactar y la reaccin se dispare.
Suponiendo que la masa de U tiene forma esfrica, existir un dimetro mnimo
para que el neutrn choque antes de escapar para producir nuevas fisiones. A
ese dimetro mnimo le corresponde un tamao crtico de una masa que
llamamos masa crtica.
En una esfera de 235U purocon una distribucin de tomos que corresponde a
su densidad si se produce una fisin y salen tres neutrones,
estos pueden salir de la esfera sin impactar o impactar en otros
tomos. En el dibujo se ve que tres ncleosfueron alcanzados
por neutrones y de la fisin salieron tres neutrones (lneas
verdes) de cada uno, 9 en total, escapando sin impactar 7 (trayectorias verdes
salientes ). Esta reaccin decae porque slo impactaron dos neutrones.
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En una esfera de 235U de mayor masa que la
esfera del ejemplo anterior, pero con la misma
densidad (reparto de tomos, manteniendo la
misma distancia), tres tomos fisionados
sueltan cada uno tres neutrones, 9 en total , de
los cuales solo escapan sin impactar tres
(trayectorias verdes).
Esta reaccin se dispara: los tres tomos
iniciales originan seis nuevas fisiones.
Para que la reaccin se mantenga existe por lo tanto una masa crtica entre las
dos mostradas en las esferas.
Para que la reaccin se dispare la masa de 235U debe ser superior a la masa
crtica -supercrtica-.
Para la primera bomba atmica explotada en Hiroshima se necesitaron
solamente unas pocas docenas de kilos de U.
En los reactores nucleares, centrales nucleares o pila atmicas, para que la
reaccin no se dispare, se frena y se controla con moderadores y barras
absorbentes el nmero de neutrones que pueden iniciar nuevas reacciones.
Adems en ellas no hay U puro, hay impurezas etc.
Recuerda que con una emisin de 3 neutrones, si todos fisionaran, se podran
iniciar tres reacciones paralelas empezando un aumento de reacciones en
progresin geomtrica.
La energa final de todos los ncleos y partculas menos la inicial constituye el
balance energtico de una reaccin. Esto se puede aplicar a la fisin (ver
problema 7).
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La energa por nuclen de los ncleos masivos es del orden de los 7,5 MeV por
nuclen; la de los ncleos ligeros que se forman es de unos 8,4 MeV.
Conociendo estos valores podemos hallar el balance energtico de un proceso
de fisin.
Energa de fisin del235
U
E n el proceso de fisin de 235U se liberan unos 0,9 MeV por nuclen del
proceso.
Esto supone una liberacin de 235*0,9 Mev (unos 200 MeV) por tomo de U.
Esta energa est en forma de energa cintica de los tomos y neutrones
emitidos y en las desintegraciones, simultneas y subsiguientes, de partculas
alfa, beta y radiacin gamma.
En una pila nuclear (reaccin controlada) los neutrinos escapan y se llevan
parte de la radiacin pero an as se obtienen unos 190 MeV por tomo de U
(190 Mev = 3,0410 -11J) en la cuba en que se mantiene la reaccin .
Un mol de 235U (aprox 235 g) contiene 6,02310 23 tomos.
La fisin de un mol producir
1,8310 13julios = 1,8310 10kJ/mol = 4,310 9Kcaloras /mol
Compara esta cantidad con las 2878 kJ / mol obtenido es la combustin de 1
mol del butano (60 g).
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Reactores nucleares (pilas atmicas) y centrales nucleares
Mueve la barra deslizable que introduce las varillas de cadmio hasta parar lareaccin. Pasa el puntero sobre los distintos componentes de sta central
nuclear. Observa que el vapor se descarga primero contra un primer cuerpo de
la turbina y despus, ya a baja presin, contra el segundo cuerpo. Los dos
cuerpos estn en serie y mueven el alternador.
Fermi: reactor automantenido
Investigacin bsica: Fermi
En la Universidad de Chicago, en 1942
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El italiano Fermi, dirigi el equipo que demostr que un reactor nuclear podaconstruirse y tener un funcionamiento auto-mantenido y controlado.Los cientficos fabricaron con sus propias manosbloques de grafito (el mismo que elde la mina de un lpiz)para construir una pila de bloques de forma esferoidal deltamao de un aula.En estas fotos se ve a los cientficos perforando los bloques de grafito, serrndolos yapilndolos. En la ltima se ve a la derecha al propio Fermi controlando el proceso.
El grafito se utilizaba para disminuir la velocidad de los neutrones en loschoques y para retenerlos al sufrir mltiples rebotes en l. Con energas de0,12 eV (neutrones trmicos) y una velocidad media como la de las partculas
de un gas en c.n., al chocar con algn tomo de U eran capaces de fisionarlo ymantener la reaccin.
En el interior de los bloques de grafito colocaron tacos de U metlico puro(Uque contiene la proporcin de sus istopos naturales, pero sin impurezas) enuna cantidad de unas seis toneladas. El U qued distribudo de forma regularen la "pila" de grafito (apilamiento). Por motivos de seguridad perforaron en lapila unos canales en los que introdujeron seis barras de madera forrada decadmioya que el cadmio absorbe muy bien los neutrones y as impedan quese desencadenara una reaccin en cadena. Introdujeron tambin una sondapara detectar la radiacin.
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La reaccin se iniciabapor la accin de un neutrn del ambiente procedente delos rayos csmicos que fisionaba el U-235 o por fisin espontnea de este. Losneutrones producidos chocaban con el grafito, perdan energa y podan:
fisionar un nuevo ncleo de U. escapar de la pila. transmutar el U-238 (que acompaa al U-235) en Pu- 239.
quedar absorbidos por los tomos productos de la fisin, por el propio U,el Pu o por los materiales del montaje.
Mientras desde una tribuna colocada en lo alto el grupo de cientficosobservaba, otro aumentaba las capas de grafito que formaban la pila. Alconstruir la capa 12 la intensidad de neutrones producidos fue tan alta que alretirar una de las barras de Cd la reaccin se mantuvo con una potencia de 0,5w elevndose hasta 200 W.
Midiendo la corriente elctrica con un galvanmetro, Fermi y su grupo comprobaronque la velocidad de la reaccin variaba al meter otra vez la barra de Cd dentro del"reactor" de grafito. La corriente que medan era la que se originaba al ionizarse ms o
menos un gas de la sonda de control.
La maana del 2 de diciembre de 1942 probaron que controlaban la reaccinintroduciendo y retirando las barras de Cd dentro del "reactor" de grafito.En plena Segunda Guerra Mundial (los alemanes acababan de invadir Rusia) enAlemania, en Leipzig (1941) y en Berln (1943), trataron de producir energa con unapila de U usando agua pesada como moderador de la velocidad de los neutrones.Quizs no lo lograron por el esfuerzo de la guerra y los bombardeos aliados.En la primavera de 1943 se desmont el laboratorio de Fermi y se construy otro cercade Chicago. ste sera el origen de ARGONNE.
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La nueva pila contena 17.700 varillas de U encerradas en Al de un peso de 52toneladas, metidas en grafito y con una carcasa de grafito, madera, plomo yhormign. El tamao del reactor era de unos 10x10x6 m3. Su potencia era de 2kw y consuma 2mg de uranio/ da, produciendo 2 mg de Pu-239 (utilizado parabombas atmicas).
En septiembre de 1944 empezaron a funcionar tres plantas nucleares de unapotencia de 1 milln de kw, capaces de producir 1 kg de Pu/ da. Seconstruyeron en Hanford (zona desrtica del estado de Washington) y eranrefrigeradas por el ro Columbia que se calentaba por la gran cantidad de
energa producida. Este Pu se us para la produccin de bombas atmicas.
La bomba atmica.
A principio de 1943, bajo la direccin de J.R. Oppenheimer de la Universidadde California, empez a prepararse en Los lamos (Nuevo Mjico) una bombaatmica a base deU puro y enriquecido en su istopo 235 . Colocado demanera conveniente y en la cantidad necesaria los neutrones rpidos soncapaces de chocar con un tomo de U antes de escapar de la masa de U,desencadenar una reaccin en cadena y generar cantidades ingentes deenerga.
La bomba fue lanzada sobre Japn el 6 de agosto de 1945. La explosin deprueba se haba efectuado tres semanas antes en el desierto de Nuevo Mjicoa unos 50 km al sur de Santa Fe.
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Las siguientes bombas se fabricaron con U y con el Pu obtenido en losreactores de prueba o de las centrales nucleares.El uranio usado en las bombas debe estar mucho ms enriquecido en U- 235que el usado en los reactores nucleares.Los pases que dispongan de centrales nucleares pueden obtener Pu y fabricar
bombas atmicas
Reactor nuclear.
Es el corazn de la central nuclear. El lugar donde se produce la fisin y selibera la energa.
Este es el edificio que alberga al reactor (7) de la Central de Cofrentes.
El tipo de reactor ms conocido es el reactor trmico (la fisin se produce porneutrones lentos). El combustible es U natural ( U-235 en la proporcin en quese encuentra en la naturaleza) o enriquecido en el componente 235. Lasustancia fisionable est dispuesta en barras distribuidas regularmente en elmoderador. Como moderador se emplea grafito (rebaja la velocidad de losneutrones rpidos que salen) y como refrigerante agua a presin. Paraabsorber los neutrones y frenar o detener la reaccin, se emplean barras deCd.El agua de refrigeracin del reactor est sometida a presin de 150 at yalcanza temperaturas superiores a 300C. Se hace circular a travs de un
cambiador de calor donde cede calor al agua de otro circuito secundario que secalienta, y se expande a travs de una turbina que al girar mueve un generadorde energa elctrica. Esta es la energa que se extrae de la central nuclear.
Tipos de reactores.
Se puede hacer la divisin atendiendo a diferentes criterios.
Segn el tipo de neutronesusados en la fisin se dividen en:1.- Reactor trmico. Como el 1 construido. Funciona con neutrones lentos
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(trmicos) y usa como combustible el U natural (con la proporcin de istoposque se encuentran en la naturaleza, pero sin impurezas). El combustible secoloca en varillas distribuidas entre el moderador y las barras controladoras(forman un sistema heterogneo).
2.- Reactor rpido. Funciona con neutrones rpidos o de mucha energa. Elcombustible debe ser U enriquecido en su componente 235 o incluso U- 235puro. Si el combustible se halla en suspensin o en disolucin en el moderadorforma un sistema homogneo (reactores homogneos).
Segn el tipo de refrigerante1.- Refrigerados por agua (que en algunos casos puede actuar de moderador-agua pesada-).2.- Refrigerados por gas (aire -as era se refrigeraba la pila fe Fermi-, dixidode carbono, etc).3.- Refrigerados por un metal lquido (sodio, etc)
Tipos de reactores refrigerados por aguaEl fluido que retira la energa calorfica que se produce en el reactor es agua.
1.-En el tipo BWR(Boling water reactor) existe un slo circuito, el agua sevaporiza en el reactor y el vapor producido se expande contra la turbina a laque pone en movimiento. El agua enfriada en las torres de refrigeracin sehace retornar al reactor por medio de bombas.El vapor de agua de este tipo de reactores es siempre radiactivo, porque elagua contiene gases radiactivos debido a las radiaciones del reactor. Losprincipales son el 13N, 16N,17N, 18O,19O. El ms activo de todos es el 17N.Una central de este tipo es la de Cofrentes (Valencia, Espaa).
2.- El el reactor de tipo PWR (Presin water reactor) o RAP como la delesquema de la pgina existen dos circuitos de agua independientes.El agua del circuito primario, que es la que est en contacto con la radiacin,retira el calor del reactor. El agua en l se mantiene a gran presin para que nohierva y est circulando continuamente en ese circuito impulsada por bombas .El circuito primario cede calor, en un intercambiador de calor, al secundario. Enel secundario se forma el vapor que al expandirse contra la turbina produce elmovimiento. El agua de este circuito se enfra en las torres de evaporacin y se
hace recircular con bombas por el circuito secundario para volver a expandirsecontra la turbina.El agua del circuito secundario est aislada del circuito primario y no secontamina.Los efluentes que vuelven al ro estn descontaminados y enfriados para queno lo calienten..En Espaa son de este tipo las centrales de Almaraz1 y 2 y la de Trillo 1.
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Central Nuclear Elctrica
Una central nuclear elctrica es un sistema de generacin de electricidad queutiliza un reactor nuclear para obtener la energa.
La animacin que figura en la pgina anterior corresponde a una central PWR.El reactor funciona tal como se relata en el apartado Reactor nuclear. Puedesmover las barras de control (de Cd) para que absorban ms o menosneutrones. Si la absorcin es muy grande no quedan neutrones libres para quecontinue la reaccin y el reactor se para.El agua del circuito primario que est sometida a gran presin cede su calor alagua del circuito secundario que se convierte en vapor. Este vapor se expandea travs de las turbinas y las hace girar. En la figura se aprovecha la cada dela temperatura del vapor en dos etapas y as mueve dos turbinas (o dos
cuerpos de la misma turbina). Las turbinas mueven un alternador y es ahdonde se produce la energa elctrica.El combustible se vuelve altamente radiactivo en el reactor. Este combustibleirradiado se almacena en piscinas y se deja "enfriar" durante 2 aos antes deenviarlo a plantas de tratamiento qumico. En estas plantas se recupera eluranio remanente y el plutonio formado y no quemado. El resto de losmateriales contaminados se procesa y almacena en forma compacta para queno entre en contacto con la biosfera. La empresa Nacional de Residuos
Radiactivos se encarga del proceso ENRESA
Estos son algunos datos de la central de Trillo1
(Foto facilitada por el Foro Nuclear). En su pginapuedes ver informacin sobre distintas centrales yhacer algn trabajo sobre ellas.
Potencia trmica del reactor 3010 MWPotencia elctrica 1066 MW . Esto supone unrendimiento de aproximadamente un 30%.
Datos de reactorDimetro = 3,45 mAltura = 3,4 m
CombustiblePeso de la carga inicial de uranio = 93,9 kgNumero de elementos de combustible 177Nmero de barras de combustible = 236Peso de un elemento de combustible 730 kg en forma de xido de uranio.Barras de controlNmero de conjuntos de control 52Nmero de barras de control por conjunto 20Sistema de generacin de vaporNmero de circuitos de refrigeracin 3Caudal total medio del refrigerante 15,8 kg/sTemperatura de entrad al reactor 293 CTemperatura de salida del reactor 352 C
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Presin del sistema 158 barSuperficie de transmisin de calor 5400 m2 /GVTurbinaDe condensacin de vapor con un cuerpo de alta presin y tres cuerpos debaja presin de doble flujo
Velocidad de rotacin 3000 rpmPresin del vapor principal a la entrada 68 barCaudal total 1650 kg/sTemperatura entrada a la turbina 284CAlternadorPotencia efectiva 1066 MWFactor de potencia 0,9Frecuencia 50 HzTensin entre bornes 27000 V
Sistema de refrigeracin
Dos torres de refrigeracin naturalCaudal de refrigeracin 44.600 kg/sCaudal de extraccin del ro Tajo 1,2 m3 /s aprox.1200 kg/sCaudal devuelto al Tajo 0,6 m3/s = 600 kg/sTemperatura de entrada del condensado en la torre 37CTemperatura de salida a las balsas 26C
Primera central elctrica.
USALas centrales para el estudio de la energa atmica aplicada a usos pacficos(tomos para la Paz), se desarrollaron por el Laboratorio Nacional para lageneracin de electricidad ARGONNE (ver) .
A lo largo de 40 aos (hasta 1993) se construyeron 52 modelos de reactores enIDAHO. El primero est abierto al pblico y se considera Monumento Nacional.
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Walter Zinn (en la foto se ve a la derecha de Enrico Fermi) fue el primer directordel proyecto que consista en calentar agua y producir vapor que, aldescargarlo sobre una turbina produca el movimiento de una bobina en uncampo magntico para generar corriente elctrica. Tena la idea, que habacompartido con Fermi, de lograr un reactor reproductorque, al mismo tiempoque produca energa, produjera tambin Pu para usar a su vez comocombustible.
W. Zinn construy el primer generador que entr en funcionamiento en 1945 ydaba energa al pequeo pueblo de Arco (situado a 32 km de la central). Queddemostrado que era posible y con ello se ponan en marcha el estudio terico y
la ingeniera necesaria para fabricar centrales nucleares.
URSSEl primer reactor empleado en la produccin de energa elctrica en la antiguaUnin Sovitica (Mosc 1954)utiliz como combustible 550 kg de Uenriquecido al 5% en U-235. Tena 60 barras de U y 18 barras de Cd.Era del tipo PWR. Utilizaba grafito como moderador y el agua, a una presin de100 at en el circuito de refrigeracin del reactor, alcanzaba los 265C.La central tena una potencia til de 5.000 KW con un rendimiento de un 17%ya que la masa desaparecida en la reaccin equivale a unos tericos 30.000KW.
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Una alternativa o la alternativa?
La energa atmica, que tiene muchos detractores, es una solucin para
obtener la energa necesaria para el desarrollo de la sociedad ya que un mayorbienestar va acompaado de gran consumo de energa.El petrleo va a escasear en pocos aos y las energas alternativas (elica,solar, fotovoltaica, etc) no pueden suministrar las enormes cantidades deenerga que necesitan la industria y el transporte.La gran solucin es la energa de fusin que desgraciadamente an no estdisponible. Mientras esto no se consiga, mucha gente empieza a pensar que esmejor una contaminacin conocida, localizada y controlable, como la nuclear,que otra que estamos lanzando al medio de manera incontrolada sin saber bienlos terrible