Ncleo. Inestabilidad nuclearCaptulo 3

Cada modelo atmico ha permitido explicar los hechos y fenmenos observables en cada poca y se ha modificado a medida que aumentan los conocimientos acerca de la estructura y propiedades de la materia.

Segn el modelo actual, el ncleo atmico tiene un volumen insig-nificante con respecto al volumen del tomo, concentra prcticamente toda la masa y como consecuencia su densidad es enorme.

Se sabe que: el ncleo est formado por protones y neutrones, muy juntos,

ocupando un pequeo volumen los protones tienen carga positiva las cargas elctricas iguales se repelen

Pero nos preguntamos: por qu los protones con igual carga pueden estar juntos en el

ncleo? no se repelen? contribuirn los neutrones a que se mantengan unidos los pro-

tones?

El modelo considera la existencia de un tipo de fuerza, llamada fuer-za nuclear fuerte, que impide la separacin de los protones a pesar de la repulsin elctrica que existe entre ellos (fig. 1).

Por otro lado, puede pensarse que los neutrones, al no tener carga elctrica, contribuyen a reducir las repulsiones entre los protones.

Es decir, empleando una analoga, los neutrones seran como el pe-gamento del ncleo.

Repeler significa rechazar

Ejemplos

- repelente para mosquitos

- se repelen las cargas de igual signo.

Durante mucho tiempo, los fe-nmenos conocidos, pudieron explicarse considerando: la fuerza de atraccin gravi-

tatoria la fuerza elctrica (de atrac-

cin entre diferentes cargas y de repulsin entre cargas iguales).

Para explicar la constitucin del ncleo, se supone la exis-tencia de otras fuerzas: la fuerza nuclear fuerte la fuerza nuclear dbil (no la

analizaremos en este curso).

Fig. 1. Los cuatro tipos de fuerzas fun-damentales.

154 Captulo 2 Modelo actual: estructura atmica. Qumica 3 C.B.

Es posible afirmar que si hay una fuerza de atraccin muy grande entre los nucleones, asociada a ella, debe haber mucha energa concen-trada en el ncleo; es la llamada energa nuclear.

En ciertos casos esta energa nuclear es liberada por algunos ncleos que se transforman espontneamente en otros (fig.2).

Radiactividad

Radiactividad es el fenmeno que se produce en el ncleo de algunos tomos, ms concretamente en el ncleo de algunos istopos, los cuales se modifican emitiendo radiaciones.

Se denomina radioistopos a los istopos que espontneamente se transforman liberando energa.

Es as que, los ncleos de estos istopos se denomina radionuclei-dos pues son estos ncleos inestables los que emiten radiaciones.

Inestabilidad nuclear

En general, de cada elemento existen istopos estables e istopos inestables o radioistopos.

Las causas naturales de inestabilidad nuclear son: exceso de neutro-nes, elevado nmero de nucleones y exceso de energa.

Otra causa de inestabilidad nuclear es el exceso de protones pero ocurre en ncleos de istopos sintetizados por el hombre.

Los radionucleidos tienden a estabilizarse espontneamente emi-tiendo partculas, ondas electromagnticas o ambas, segn el caso, transformndose en otros ncleos.

Las partculas emitidas pueden ser:

partculas alfa que se simbolizan mediante la letra griega ; cada partcula est formada por dos protones y dos neutrones.

partculas beta que se representan con la letra griega ; cada par-tcula es un electrn.

Las ondas electromagnticas se llaman radiacin gamma y se sim-bolizan con la letra griega .

La transformacin que se produ-ce en los ncleos cuando emiten alguna radiacin se denomina desintegracin radiactiva.Es frecuente usar el trmino desintegracin en lenguaje co-tidiano, con otros significados.

Fig. 2. Desintegracin radiactiva

Emitir significa irradiar, pro-ducir, salir, lanzar, despedir, arrojar, expulsar, proyectar.

Se pueden usar los trminos radioactivo o radiactivo indistin-tamente.

Estable significa invariable, inalterable, persistente, per-manente, perpetuo, e inesta-ble lo contrario.

Radioistopos

Son istopos inestables de un elemento cuyos ncleos emi-ten radiaciones y se transfor-man espontneamente libe-rando energa.

Radionucleidos

Son los ncleos de los radio-istopos que se modifican en una transformacin nuclear.

155Ncleo. Inestabilidad nuclear. Captulo 3 Qumica 3 C.B.

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Emisin alfa

Se sabe que el ncleo de uranio-235 emite una partcula . Esta transformacin puede representarse mediante la siguiente expresin, llamada ecuacin nuclear (fig.3):

235U

4 +

231Th

92 2 90

ncleo emisor

partcula emitida

ncleo resultante

La ecuacin nuclear se lee: un ncleo de uranio-235 emite una par-tcula y se transforma en un ncleo de torio-231.

Analicemos esta transformacin. Al emitirse una particula : cambia el nmero atmico; se pierden 2 protones (Z disminuye de 92 a 90) cambia el nmero msico; se pierden en total 4 nucleones (A disminuye de 235 a 231)Si cambia el nmero atmico se forma un elemento diferente (en

este ejemplo el uranio, Z= 92, se transforma en torio, Z= 90)

Emisin beta

Se sabe que: los electrones se mueven en la periferia atmica las emisiones son electrones saliendo del ncleo atmico

Cmo es posible que un electrn escape del ncleo atmico?En el ncleo, un neutrn se transforma en un protn y en un elec-

trn que luego es emitido fuera del tomo (fig.4).

Ejemplo. El ncleo de carbono-14 emite una partcula . Esta trans-formacin se representa:

14C

0 +

14N

6 -1 7

ncleo emisor

partcula emitida

ncleo resultante

La ecuacin nuclear se lee: un ncleo de carbono-14 emite una par-tcula y se transforma en un ncleo de nitrgeno-14 (fig.5).

Analicemos esta transformacin; al emitir : cambia el nmero atmico; se forma un protn (Z aumenta de 6 a 7) no cambia el nmero msico (A= 14) Si cambia el nmero atmico, se forma un elemento diferente (en

este ejemplo el carbono, Z= 6, se transforma en nitrgeno, Z= 7)

Las desintegraciones se repre-sentan mediante ecuaciones nucleares, escribiendo: a la izquierda el ncleo emisor,

indicando el nmero atmico y el nmero msico del mismo

una flecha que indica que ha ocurrido una transformacin

a la derecha la radiacin emi-tida y el ncleo resultante, in-dicando tambin el nmero atmico y el nmero msico.

Una partcula est formada por 2 protones y 2 neutrones ( 42 ).

Una partcula es un elec-trn ( 0-1 ).

El istopo de uranio cuyo A es 235 (235U) se puede repre-sentar: uranio-235 o tambien U-235.

El ncleo emisor tiene 6 proto-nes y 8 neutrones (Z=6 carbo-no) y luego de la emisin , el ncleo resultante tiene 7 pro-tones y 7 neutrones (Z= 7 ni-trgeno). Como el nmero de nucleones no cambia, el nme-ro msico es igual para ambos ncleos (A= 14): un neutrn se ha sustituido por un protn.

Fig. 3.

Fig. 4.

Fig. 5.

Representacin del cambio pro-ducido en el ncleo durante una emisin beta.

1n

1p +

0e

0 1 -1neutrn protn electrn (b)

(estaba en el ncleo)

(queda en el ncleo)

(sale del tomo)

156 Captulo 3 Ncleo. Inestabilidad nuclear. Qumica 3 C.B.

Emisin gamma

Una emisin gamma () consiste en ondas electromagnticas de na-turaleza similar a la luz, con mayor energa que los rayos X. Como la ra-diacin son ondas electromagnticas, no se modifica ni el nmero ni el tipo de partculas que forman el ncleo emisor, solo cambia su ener-ga. Por lo tanto, no se modifica Z y el elemento es el mismo.

Ejemplos:

[125

Tc]*0 +

125Tc

52 0 52

[236

U]*0 +

236U

92 0 92 Las emisiones y las no se dan simultneamente, pero s pueden

darse consecutivamente. Las emisiones pueden acompaar a las emi-siones y a las .

Ejemplo

El cesio137 es uno de los residuos radiactivos producidos por las plantas de energa nuclear que puede tener mltiples aplicaciones.

Este radioistopo se desintegra emitiendo radiacin beta y gamma.

137Cs

0 +

137Ba +

0

55 -1 56 0

Algo de historia...

Cundo y cmo se descubri la radiactividad?

En el ao 1896 el cientfico Antoine Henri Becquerel descubri la emisin de radiacin por parte del uranio (rayos urnicos) (fig 6). Sin embargo, el fenmeno de la radiactividad, como propiedad, no solo del uranio sino de otros elementos, fue descubierto por Marie Curie.

Antes de su descubrimiento Becquerel saba que:

los rayos solares velan las placas fotogrficas pero no traspasan un papel negro y grueso

los rayos X velan las placas fotogrficas, traspasan el papel, el vi-drio y otros materiales

las sales de uranio producen fluorescencia

Emisin , no est constituida por partculas, sino por ondas electromagnticas

[125

Tc]*52

Mediante los parntesis rectos y el asterisco se representa un ncleo inestable por exceso de energa.

Fig. 6. Antoine Henri Becquerel (1852-1908) cientfico francs. Realiz nu-merosas investigaciones y en 1896 des-cubri que las sales de uranio emitan radiaciones. Por tal motivo Becquerel re-cibi el premio Nobel de Fsica en 1903 junto con los esposos Curie.

157Ncleo. Inestabilidad nuclear. Captulo 3 Qumica 3 C.B.

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Becquerel realiz un experimento para comprobar si la fluorescen-cia de las sales de uranio junto con la emisin de rayos X se deba a las radiaciones ultravioletas del sol.

Para ello envolvi una placa fotogrfica en papel negro para evitar que el sol la velara y coloc sobre ella muestras de distintas sales de ura-nio. Intercal una placa de vidrio para descartar que los vapores afec-taran la placa y expuso las muestras al sol. En cierta ocasin durante el proceso de experimentacin debi esperar ya que los das estaban nu-blados. Guard entonces el trabajo en un cajn de su escritorio.

El primer da soleado, decidi cambiar las muestras sospechando un posible deterioro. Afortunadamente, antes de descartarla procedi a revelar la placa.

Enorme fue su sorpresa cuando observ que se haba velado con un efecto mayor que el provocado por los rayos X. Realiz muchos ensayos con muestras de diferentes compuestos de uranio buscando la explica-cin a este fenmeno (fig 7).

Fue este experimento que le permiti descubrir que las sales de ura-nio adems de fluorescencia emiten radiaciones que no dependen de la accin del sol y que traspasan el vidrio y otros materiales.

El uranio es el elemento responsable de esta radiacin la que posee mayor intensidad que los rayos X.

Los esposos Curie, amigos de Becquerel continuaron la investiga-cin utilizando muestras de diferentes minerales. Finalmente traba-jaron con el mineral pechblenda, que contiene uranio. Aplicando di-ferentes mtodos pudieron extraer del mineral sustancias que emiten radiaciones de mayor intensidad que el conocido uranio.

Marie Curie denomin radiactividad a este fenmeno y junto a Pie-rre comenz a sospechar la presencia de otro elemento radiactivo al que llam, polonio, en honor a su pas natal.

Otra fraccin de este mineral estudiado, que no contiene polonio, mostraba una radiactividad mucho ms intensa. Al estudiarla descu-brieron otro elemento al que dieron el nombre de radio, por esta mar-cada propiedad (fig. 8 y 9).

Como conclusin podemos afirmar que el mineral pechblenda, ade-ms de uranio, contiene otros dos elementos radiactivos: el polonio y el radio.

U Po Ra92 84 88

Fig. 7.

Un da nublado, dio a la Qumica este nuevo conocimiento confirmando que las sales de uranio emiten radiaciones, similares a la luz pero de mayor ener-ga, capaces de traspasar el vidrio y el papel, velando una placa fotogrfica.

Fig. 8. Marie Curie (Marja Skodowska) (1867-1934) Naci en Varsovia (Polo-nia). Se doctor en Fsica y Qumica en Pars. Dedic su vida al estudio de la ra-diactividad. Recibi dos premios Nobel y fue la primera mujer profesora en la Universidad de Pars. Se cas con Pierre Curie, fsico y profesor de la Universidad de la Sorbona en Pars con quien realiz las investigaciones. Muri a causa de la leucemia ocasionada por las largas expo-siciones a las radiaciones. Su hija Irne Joliot-Curie tambin obtuvo el Premio Nobel de Qumica, un ao despus de la muerte de su madre, por su descubri-miento de la radiactividad artificial.

Fig. 9. Pierre Curie (1859-1906) Cien-tfico francs, fue jefe de Laboratorio en la Escuela de Fsica y Qumica de Pars. Pierre Curie conoci a Marja Sklodows-ka, quien estudiaba en la Sorbona y al tiempo sera Madame Marie Curie.Falleci en un accidente de trnsito.

158 Captulo 3 Ncleo. Inestabilidad nuclear. Qumica 3 C.B.

Actividades

Aplicaciones y problemas

1) Analiza la siguiente afirmacin y fundamenta si es correcta o no. Los protones estn muy juntos y unidos en el ncleo de los tomos

porque no hay fuerzas de repulsin entre ellos.

2) a) Por qu solo algunos ncleos son radiactivos? b) Cmo se llama a los istopos radiactivos de un elemento?

3) a) En algunos textos puede leerse que la partcula es un ncleo de He. Justifica esa afirmacin.

De qu otra forma se puede simbolizar? b) La partcula es un electrn. De qu otra manera se puede representar?

4) Lee y analiza las ecuaciones nucleares de la figura 1. Explica los cambios que en ellas se representan.

5) Completa las ecuaciones de la figura 2. Analiza en cada caso: cambia el nmero atmico? se modifica el nmero msico? se forma un nuevo elemento? Fundamenta cada respuesta.

6) Un ncleo de U-235 se desintegra naturalmente hasta llegar a un istopo estable. A esta cadena de reacciones nucleares se denomina serie radiactiva del uranio.

Sabiendo que el orden de emisin es: , , , , , , , , , , a) plantea la secuencia de las ecuaciones nucleares que correspon-

den a esta serie radiactiva. b) cul es el istopo estable que se obtiene al finalizar la serie?

Investiga y reflexiona

7) Investiga acerca de la Teora del Big Bang (gran explosin) y sobre el gigantesco acelerador de partculas ubicado en la frontera entre Francia y Suiza (fig.3).

Fig. 2. Ejercicio 5.

Fig. 1. Ejercicio 4.

240Pu

4 + [236 U]*94 2 92

[236

U]*0 +

236U

92 0 92

a)28Al + ..............13

b)242

Pu + ..............94

c)218

At + ..............85

d)210

Bi + ..............83

Fig. 3. Ejercicio 7. Esquema del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) de la Organizacin Europea para la Investiga-cin Nuclear (CERN).

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Ampliando el horizonte...

La niez de Marie Curie no fue fcil, enfermedades familiares, escasos recursos econmicos y un escenario poltico muy especial.

a)Investigasobresuvidayreflexiona.b)Investigasobreotrasmujerescientficas.

Marie Curie: una cientfica apasionada

...fue en ese miserable y viejo hangar donde transcurrieron los mejores y ms felices aos de nuestra vida, enteramente dedicada al trabajo... A ve-ces pasaba el da entero removiendo una masa en ebullicin con una barra de hierro casi tan grande como yo...

...la radioactividad se concentra principalmente en dos fracciones qu-micas de la pechblenda. Para los Curie es el signo de la existencia de dos cuerpos nuevos distintos. ... estn en condiciones de anunciar el descubri-miento de una de estas dos sustancias.

- Es necesario que le busques un nombre... - le dice Pierre a su joven esposa.

... enlazando su corazn hacia su patria borrada del mapa del mundo, suea, vagamente, que el acontecimiento cientfico probablemente ser publicado en Rusia, en Alemania, en Austria, en los pases de los opresores, y tmidamente contesta:

- Si le llamramos el polonium?... Me he visto obligada a tratar hasta veinte kilos de materia a la vez,

que tuvo por efecto llenar el hangar de grandes vasos llenos de precipita-dos y lquidos. Era un trabajo extenuador transportar los recipientes, tras-vasar los lquidos y remover durante horas y ms horas la materia en una evaporadora de hierro.

...El radium tiene algo ms que un buen color. Es espontneamente luminoso. Y en el hangar sombro, en donde las preciosas parcelas, en sus minsculos recipientes de cristal, estn a falta de armarios- colocadas so-bre las mesas y en estantes clavados en la pared, sus siluetas fosforescen-tes, azuladas, brillantes, aparecen suspendidas en la noche.

Marie se acordar siempre de esta noche de gusanos de luz y de este hechizo ... Con destino a la Academia de Ciencias y publicada en las Comu-nicaciones de sesin del 26 de diciembre de 1898, se anuncia la existencia de un segundo elemento qumico.

...la nueva sustancia radioactiva contiene un elemento nuevo, al cual nos proponemos dar el nombre de RADIUM ... La radioactividad del Ra-dium debe ser, pues, enorme

Fragmentos extrados de la obra La vida heroica de Marie Curie, descubridora del Radium escrito por su hija Eve Curie

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