Unidad temática: Fenómenos nucleares y sus aplica

Descripción curricular
- Nivel: 4º medio
- Subsector: Ciencias químicas
- Unidad temática: Fenómenos nucleares y sus aplicaciones
- Palabras claves: radiactividad, partículas nucleares, partículas alfa, partículas beta y radiación
gamma.
- Contenidos curriculares:
- Isótopos y estabilidad nuclear. Radiactividad natural y Cinética de
desintegración. Concepto de vida media y de serie radiactiva. Datación de
objetos de interés
Arqueológico e histórico.
- Fisión y fusión nuclear. La bomba atómica y los reactores nucleares. El impacto
de las tecnologías nucleares sobre la vida del ser humano, en particular sus
consecuencias éticas, sociales y psicológicas. Ventajas, beneficios, peligros y
amenazas de la utilización de las tecnologías nucleares en diversos ámbitos.
- Aplicación de los isótopos y de la radiación a la medicina, agricultura e
investigación química y bioquímica. Efectos de la radiación sobre los seres vivos.
- Contenidos relacionados:
- 1° medio
− Los procesos químicos
− Los materiales
- 2° medio
− Modelo atómico de la materia
- 3° medio
− Reactividad y equilibrio químico
− Cinética
- 4° medio
− Procesos químicos industriales
- Aprendizajes esperados
- Identifican los factores determinantes de la estabilidad nuclear.
- Distinguen las diferentes clases de emisiones radiactivas y sus propiedades.
- Reconocen los principales beneficios de la utilización de tecnologías nucleares para el ser
humano.
- Reconocen y evalúan los riesgos para el ser humano de las misiones radiactivas naturales
e inducidas y aprenden sobre métodos de protección.
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- Aprendizajes esperados de esta actividad:
- Comprender qué es la radiactividad a partir de la estructura atómica.
- Comprender cómo son las reacciones nucleares y en qué se diferencian con las reacciones
químicas.
- Identificar la energía producto de las reacciones nucleares como posible fuente de
energía.
- Identificar las partículas nucleares producto de las reacciones nucleares.
- Conocer aplicaciones de la radiactividad en ciencia y medicina.
- Recursos digitales asociados de www.educarchile.cl:
-
Ficha: Partículas nucleares y reacciones nucleares
Juego: “El ahorcado” - Partículas nucleares
Animación: “Penetración de las partículas”
Diapositivas digitales (ppt): “Fenómenos nucleares”
Actividades para este tema:
En este documento hay dos actividades vinculadas al tema de Fenómenos nucleares y sus
aplicaciones.
- Actividad “¿Cuál es la
química?” está orientada
utilización de la energía
investigación acerca de la
generación de energía.
diferencia entre una reacción nuclear y una reacción
a la comprensión de la radiactividad, sus reacciones, y la
producto de estas reacciones. Comprende, además una
bomba atómica y los reactores nucleares utilizados en la
- Actividad “¿Qué emite la radiactividad?”, está orientada a conocer la naturaleza de
las partículas nucleares y las aplicaciones de la radiactividad en diferentes campos de la
ciencia y medicina.
A continuación encontrarás los contenidos que tratan estas actividades y sugerencias sobre cómo
desarrollarlas con tus estudiantes.
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ACTIVIDAD: ¿Cuál es la diferencia entre una reacción nuclear y una reacción química?
Duración: dos horas pedagógicas
1. Mapa de contenidos tratados
2. Desarrollo de la actividad:
¿Cuál es la diferencia entre una reacción nuclear y una reacción química?
Paso 1
Esta actividad permite conocer cómo son las reacciones nucleares y en qué se diferencian a una
reacción química.
Sugerimos comenzar recordando:
- Estructura atómica de la materia.
- Estructura del núcleo atómico.
Para introducir la radiactividad, puede preguntar ¿Cómo es posible que partículas de la misma
carga estén reunidas en el núcleo atómico?
Guíe esta pregunta hacia la estabilidad de un núcleo atómico, para terminar en el concepto de
radiactividad.
Paso 2
Continúe la actividad con reacciones nucleares:
- Desintegración natural: fisión y fusión nuclear.
Haga hincapié en que las reacciones nucleares son exotérmicas puede hacer relación a la bomba
atómica y la gran cantidad de energía liberada.
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Paso 3
Entregue la guía para el estudiante. Esta guía cuenta con una pequeña introducción la que pueden
leer en conjunto. La guía se encuentra disponible en el portal educarchile.
Los estudiantes deben reunir información acerca de la radiactividad, esta información se encuentra
disponible en el portal en Internet educarchile, y pueden buscarla en otros medios en Internet o
bien en textos para el estudiante.
Se encuentra disponible también, en educarchile, una presentación de diapositivas digitales (ppt),
llamada “fenómenos nucleares”.
Paso 4
Una vez que los estudiantes hayan reunido la información necesaria, contesten las siguientes
preguntas, cuyas respuestas se encuentran a continuación.
1. Realiza una investigación que te permita descubrir cómo es una reacción nuclear, y en qué se
diferencia a una reacción química. Con esta información, confecciona una tabla de comparación
entre ambas reacciones.
Las reacciones nucleares ocurren a partir de isótopos de elementos que son inestables y, por lo
tanto, se desintegran formando otros elementos más chicos. Existen reacciones artificiales en que
se logra desintegrar un átomo a partir del bombardeo de éste con partículas subatómica, formando
otro átomo. Las reacciones nucleares se escriben igual que una reacción química, pero como se
trata de diferentes isótopos de un elemento, se indica el número másico y atómico de éste. En una
reacción nuclear, no sólo se forman nuevos elementos, también va acompañada de nuevas
partículas subatómicas y altas cantidades de energía.
Reacciones químicas Reacciones nucleares
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2. A tu criterio: ¿cuales serian las relaciones más significativas entre la fisión y la fusión nuclear?
La fisión nuclear corresponde a la división de un
núcleo pesado en otros más livianos de masa
intermedia y uno o más neutrones. La fusión en
cambio, es la combinación de núcleos livianos
para formar uno más estable.
La fisión y fusión nuclear van acompañadas de
la emisión de altas cantidades de energía, lo
que hace que sean exotérmicas. En esta
propiedad radica el gran interés del mundo
científico en estudiar las reacciones nucleares,
que muchas veces son llamadas reacciones
termonucleares.
3. En relación a la energía producida por las reacciones nucleares:
a. ¿Por qué se dice que esta energía es “energía limpia”? Argumente su respuesta.
La energía producida y utilizada hoy en día emite al medio ambiente grandes cantidades de CO2
(dióxido de carbono), el que es considerado un fuerte contaminante atmosférico por ser un gas
responsable del efecto invernadero. Las consecuencias de la presencia de este gas en la atmósfera
es el aumento de la temperatura del planeta, haciendo que aumente la temperatura de los mares y
océanos, derretimiento de los hielos y cambio climático entre otros efectos.
La producción de energía nuclear no emite a la atmósfera este contaminante, y por eso se
considera la energía nuclear como energía limpia. Sin embargo este tipo de energía conlleva otros
peligros, debido a que estas reacciones emiten grandes cantidades de energía las que pueden ser
descontroladas.
b. ¿Qué es un reactor nuclear y de que manera creen que puede ser utilizado?
Un reactor nuclear es un dispositivo donde se produce una reacción nuclear controlada. Pueden ser
utilizados en la obtención de energía, la producción de materiales fisionables, o simplemente para
investigación de estas reacciones.
c. ¿Qué opinas de la construcción de un reactor nuclear para la generación de energía para tu
ciudad?
Esta es una pregunta personal, sin embargo intente que esté correctamente justificada, evaluando
la cantidad de energía limpia producida en contraste con la cantidad de energía producida en forma
convencional. Por otra parte, que considere los riesgos que involucra la manipulación de estas
reacciones.
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d. ¿Sabes que ocurrió en Chernobil?
En Chernobil ocurrió un accidente en la planta nuclear que operaba en la ciudad (1986) debido al
sobrecalentamiento del reactor nuclear que terminó en la explosión de hidrógeno acumulado en el
lugar.
Esta explosión provocó la muerte instantánea de 31 personas, alrededor de 135.000 personas
tuvieron que ser evacuadas, la radiación afectó a aproximadamente 155.000 km², y debieron
permanecer extensas áreas deshabitadas durante muchos años. La radiación se extendió a la
mayor parte de Europa, permaneciendo los índices de radiactividad en niveles peligrosos durante
varios días. Se estima que se liberó unas 500 veces la radiación de la bomba atómica arrojada en
Hiroshima en 1945.
4. ¿Qué es lo que entiendes por la bomba atómica?
La fisión nuclear se aplicó por primera vez para fabricar la
bomba atómica. La fisión del uranio - 235, conlleva una
reacción en cadena incontrolable que libera grandes
cantidades de energía. La clave de la bomba atómica, es la
masa de uranio – 235 que se utilice.
Se pueden construir pequeñas bombas atómicas que utilicen pequeñas cantidades de uranio – 235,
algunas de ellas equivalen a 20.000 toneladas de TNT (trinitrotolueno) liberando 8 x 1013 J de
energía. Las bombas atómicas lanzadas en Hiroshima (Japón, 1945) fueron construidas con uranio
– 235, sin embargo la bomba lanzada sobre Nagasaki tres días después, contenía plutonio – 239
que reacciona de la misma forma que el uranio, como reacción en cadena.
5. ¿Cómo has de evaluar las consecuencias de la catástrofe de Chernobil para el medio ambiente y
la salud humana?
La catástrofe de Chernobil, ocurrida el 26 de abril de 1986, provocó incalculables daños al medio
ambiente y a la salud humana, sobre todo debido al criminal intento, por parte del poder soviético
de aquel entonces, de ocultar la verdadera magnitud del accidente. En la actualidad se sufren aún
las consecuencias de dicha catástrofe no sólo en Ucrania y Belarús, sino también en otros países de
la región que son miembros de la Unión Europea, a saber, Polonia, Letonia y Lituania. Los expertos
establecen una correlación entre la catástrofe de Chernóbil y el creciente número de casos de
cáncer y enfermedades cardiovasculares, así como de infertilidad en las parejas jóvenes, etc.
Paso 5
Para concluir la actividad, pídales a sus estudiantes que realicen una tabla de posibles daños que
produjo la radiactividad en los habitantes de Chernobil luego del accidente nuclear producido en
1986.
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ACTIVIDAD: ¿Qué emite la radiactividad?
Duración: dos horas pedagógicas
1. Mapa de contenidos tratados
2. Desarrollo de la actividad: ¿Qué emite la radiactividad?
Paso 1
Esta actividad está orientada a que los estudiantes comprendan la naturaleza de las partículas
nucleares y sus aplicaciones.
Para comenzar esta actividad, recuerde los siguientes conceptos:
- Estabilidad nuclear
- Radiactividad.
Si es necesario, recuerde cuáles son las partículas subatómicas:
- Protón
- Neutrón
- Electrón
Para continuar con este tema, dirija a sus estudiantes hacia las partículas nucleares, con la
pregunta:
- ¿Qué se emite en la radiactividad?
Recuérdeles que cuando ocurre una reacción nuclear no sólo se emite energía, sino que también se
forman nuevos productos, como núcleos nuevos y partículas subatómicas.
Paso 2
Pregunte a sus estudiantes cómo balancearían la siguiente reacción nuclear:
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Para ayudarlos puede comenzar preguntando:
-
¿Está completa esta reacción?
¿A qué corresponderá la letra X?
¿Son iguales los números másicos en el Po y Pb?
¿Son iguales los números atómicos del Po y Pb?
Dirija la atención hacia el número másico y atómico.
La idea es que ellos descubran que algo más está involucrado en esta reacción.
Pueden incluso llegar a la expresión:
sin saber el nombre de esta partícula.
Recomendamos que una vez que los estudiantes lleguen a esta expresión, indíqueles las nuevas
partículas: partículas alfa, beta y radiación gamma, además de positrones.
Paso 3
Entregue la guía para el estudiante que se encuentra disponible en el portal educarchile. Los
estudiantes deben buscar información sobre radiactividad, esta información se encuentra disponible
en el mismo portal o bien pueden buscarla en otros medios de internet o sus textos.
Leer la guía todos en conjunto, también pueden acceder a ella en línea.
Una vez reunida toda la información, comiencen la actividad completando la tabla. A continuación,
indicamos la tabla completa.
A) Tabla resumen de naturaleza de la radiación
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Paso 4
La segunda parte de la actividad, pretende que sus estudiantes comparen la naturaleza de las
partículas nucleares y comprendan que la radiactividad se utiliza en campos de la ciencia y en
medicina.
Inicie la segunda parte de la actividad. En esta, también se requiere de material bibliográfico para
investigar nuevos usos de la radiactividad.
Las respuestas a las preguntas de la guía se encuentran a continuación.
1. Las partículas alfa son las partículas más grandes y con más masa, en cambio la radiación
gamma (radiación electromagnética) es energía desprendida de la reacción nuclear. En relación a
esto, ¿cómo crees que serán los efectos que cada una de estas partículas puede tener sobre el ser
humano?
Las partículas alfa son un núcleo de helio, cuentan con dos protones y dos neutrones y, por lo
tanto, tienen carga positiva. En cambio, la radiación gamma es radiación electromagnética de alta
energía que es desprendida de una reacción nuclear. Si consideramos estas características, la
radiación gamma transporta mucha más energía que las partículas alfa, las que viajan más lento y
son muchísimo más grandes y, por lo tanto, tienen menor poder de penetración en el cuerpo
humano. Los efectos que tiene la radiación electromagnética son mucho mayores que las partículas
alfa.
2. Ordena las partículas alfa, beta y gamma, en orden creciente de poder de penetración.
Según orden creciente de poder de penetración:
Partículas alfa < partículas beta < radiación gamma.
3. Antes de continuar la actividad, pueden ver la animación “Partículas nucleares”, la que ilustra el
poder de penetración de estas partículas. (Has que hagan una pequeña observación).
Claramente se puede observar la penetración de las partículas Alfa, Beta y gamma, en distintos
materiales, por lo cual podemos deducir que existen factores para que esto se cumpla y uno de los
mas importante es que depende del tamaño de la partícula y de la densidad del material en el cual
inciden.
4. Si las partículas alfa pueden ser detenidas por medio de una hoja de papel; las partículas beta
por aluminio; y la radiación gamma con un bloque de plomo. Crea una lista de objetos o cosas de
la vida cotidiana, en donde éstos detengan la penetración de las partículas.
Las partículas alfa, que son núcleos de helio, tienen una penetración pequeña en el aire y son
detenidas por una simple hoja de papel. Por exposición externa ni siquiera alcanzan al tejido vivo,
ya que se detienen en las capas exteriores (células muertas) de la piel. Entre otro, papel de diario,
de revista, etc.
Las partículas beta, que son electrones, pueden recorrer varios metros en el aire y son detenidas
por una lámina de aluminio de algunos milímetros. En el tejido vivo puede recorrer algunos
centímetros.
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La radiación gamma tiene una gran penetración, tanto mayor cuanto lo es su energía. Pueden
recorrer varios cientos de metros en el aire y es necesario un buen espesor de pared de cemento o
de plomo para pararlos. Atraviesan los tejidos vivos.
Paso 5
Esta parte de la actividad pretende que los estudiantes conozcan las aplicaciones de la
radiactividad.
Puede comenzar recogiendo las ideas previas de sus estudiantes. Algunos de ellos pueden conocer
algunas de estas aplicaciones. En general, las aplicaciones más conocidas son aquellas en el campo
de la medicina.
Para esto, puede preguntar:
- ¿Utilizamos la radiactividad?
- ¿Utilizamos las partículas radiactivas?
- ¿Podemos utilizar estas emisiones en aplicaciones prácticas?
En la guía para el estudiante encontrarán una aplicación de las partículas nucleares:
A veces se trabaja con elementos que decaen en forma natural emitiendo, en forma controlada
partículas o energía. Estas partículas pueden ser utilizadas en algunas ramas de la ciencia o bien,
en medicina. Por ejemplo, en química se utilizan isótopos de elementos radiactivos para descubrir
mecanismos de una reacción química regular.
Debido a que el isótopo utilizado emite una partícula radiactiva conocida, es posible seguir o
rastrear esta partícula inestable que decae en el tiempo, o bien las radiación emitida por este
isótopo. De ese modo, los científicos descubren cómo ocurre una determinada reacción química.
También se utilizan isótopos radiactivos en medicina para el tratamiento de ciertos tumores. En la
mayoría de los casos, utilizan isótopos que emiten radiación electromagnética la que daña las
células de origen tumoral.
5. ¿Sabes cuánto perjudica o beneficia la radiactividad?
Innumerables son los beneficios que reporta el uso de la radiación en el diagnóstico y el
tratamiento de enfermedades. Con ella se ha podido realizar exploraciones del cerebro y los
huesos, tratar el cáncer y usar elementos radiactivos para dar seguimiento a hormonas y otros
compuestos químicos de los organismos.
La radiactividad puede ser peligrosa en determinadas circunstancias y sus riesgos no deben
tomarse a la ligera. Puede dañar las células del organismo y la exposición a altos niveles, puede ser
nociva e incluso fatal si se trata de manera inadecuada, por eso lleva un largo proceso de
investigación y descubrimientos abriéndose las puertas de la era nuclear.
Paso 6
Concluya la actividad, con una reflexión en que se destaque el buen uso de la energía nuclear, más
allá de los efectos negativos que se han presenciado en el mundo.
Los estudiantes deben entender que la energía nuclear, y su uso eficiente son alternativas
energéticas hoy en día, cuyo uso aún requiere mucho estudio.
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Es decir, a pesar de la mala utilización de la energía nuclear en bombas atómicas, esta energía
tiene numerosas aplicaciones en ciencia y medicina, y quizás quedan muchas otras por descubrir.
Y a modo de repaso y evaluación personal por parte de los alumnos pídales que en su casa o en el
laboratorio del establecimiento, practiquen el contenido, con el juego El Ahorcado “Partículas
Nucleares”
que
se
encuentra
disponible
en
el
siguiente
link:
www.educarchile.cl/UserFiles/P0001/Media/JuegosBID/Ahorcado216/index.html
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