GUIA N°2 QUIMICA PREUEmisiones radioactivas

Complejo Educacional
“Claudio Arrau León” – Carahue
Profesor Matías Catrio Toro
PREUNIVERSITARIO QUIMICA
Mayo 2014
Guía N°2: EMISIONES RADIOACTIVAS.
LA BOMBA ATÓMICA
La primera bomba atómica se lanzó el 16 de Junio de 1945 en el
campo de pruebas de Trinity, cerca de Álamo Gordo (Nuevo
México). Poseía una fuerza destructiva de 20 kilotones,
equivalente a 20 toneladas de TNT (trinitrotolueno). Contenía
Uranio, igual que se lanzaría poco después sobre Hiroshima. Con
el nombre de “little Boy” (chico pequeño), sólo necesitó convertir
un gramo de masa (aunque toda la bomba pesara cuatro
toneladas) para producir una potencia de 12,5 kilotones. Produjo
la muerte de 120.000 personas de una población de 450.000
habitantes, causando otros 70.000 heridos. Tres días después
cayó sobre Nagasaki “Fat Man” (hombre gordo), una bomba de
Plutonio que duplicaba en potencia destructiva a la anterior, pero
que causó 40.000 muertes y 25.000 heridos, además de varios
miles que morirían después debido a heridas relacionadas,
envenenamiento y radiación residual.
INTRODUCCIÓN
En química nuclear se estudian las reacciones que implican modificaciones en el núcleo de
los átomos. La ciencia como tal comenzó con el descubrimiento de la Radiactividad (Henry
Becquerel) y los posteriores estudios realizados por los esposos Curie. Hoy en día es una ciencia
controversial, sus fines bélicos y los accidentes en centros nucleares (reactores) han puesto en
tela de juicio los beneficios de la radiactividad para el hombre. La fabricación de bombas
nucleares, bombas de hidrógeno, de neutrones y la complejidad en el tratamiento de desechos
radiactivos han movilizado por años a entidades ligadas al medio ambiente y gobiernos a
replantearse el uso masivo de la energía nuclear.
A pesar de lo anterior, su uso pacífico ha contribuido enormemente en campos como la
medicina, la agricultura y la paleontología. Junto con ello, los reactores de energía han permitido
convertir eficientemente la energía nuclear en energía eléctrica a un costo menor y sin el uso
indiscriminado de combustible fósil.
CONCEPTOS PRELIMINARES.
Las emisiones atómicas y los efectos de la radiación serán tratados en este capítulo. Ya se
analizaron los principales modelos atómicos de modo que la comprensión del fenómeno de la
radiactividad se hará más sencilla. En esta guía se anexa además el descubrimiento de los rayos
X y algunos conceptos preliminares que simplifican el análisis.
DEFINICIONES.
NÚMERO ATÓMICO (Z).
Corresponde a la cantidad de protones que hay en el núcleo de un átomo, este número identifica
e individualiza a un elemento. Si el átomo es neutro, el número atómico coincide con el número
de electrones.
Notación representada: zX:
13Al
; 8O ;
92U
NÚMERO DE MASA O NÚMERO MÁSICO (A).
Se define número másico como la cantidad total de partículas presentes en el núcleo de un
átomo (nucleones).
El número másico es adimensional, no indica la masa de un átomo, sólo el número de
partículas (neutrones y protones), de modo que para calcular la masa de los átomos debe
considerarse su abundancia en la naturaleza.
ISÓTOPOS.
Los isótopos son átomos de un mismo elemento que difieren en el número de neutrones.
Por lo tanto, los isótopos de un elemento deben presentar el mismo número atómico (Z).
Los isótopos de un elemento tienen distinto número másico (A), de modo que la masa
contenida
en el núcleo también es distinta. A pesar de esta diferencia, todos los isótopos de un
elemento
presentan el mismo comportamiento químico (coinciden en el número de
electrones)
En la tabla periódica vemos un valor promedio (peso atómico), para cada elemento y debe
entenderse como tal, es decir, un valor medio de la abundancia isotópica para cada uno de ellos
en la naturaleza.
ISOBAROS.
Son átomos de elementos distintos con el mismo número de partículas en el núcleo (igual
A). Los isobaros coinciden sólo en el número A, no presentan el mismo comportamiento químico y
tampoco tienen la misma cantidad de electrones.
ISOTONOS.
Átomos de distintos elementos con igual cantidad de neutrones.
Ejemplos: 31H y 42He
IONES Y ÁTOMOS ISOELECTRÓNICOS.
Iones de diferentes elementos con igual cantidad de electrones.
LOS RAYOS X.
En el año 1895 Wilhelm Röentgen descubrió los rayos X. Estudiando las emisiones de luz
de un tubo de descarga eléctrica observó que una pantalla cubierta con una sal fluorescente
destellaba cada vez que conectaba el tubo de descarga. Röentgen tenía claro que los rayos
catódicos eran emisiones que no podían atravesar el tubo de vidrio, sin embargo y por alguna
razón, una radiación “invisible” atravesaba las paredes e impactaba la pantalla. Comprobó
también que el poder de penetración era sorprendente. Puso ciertos obstáculos entre la pantalla y
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la emisión (metales, madera, vidrio, etc.) y sin embargo, persistía la luminosidad. Supuso que era
radiación de alta energía pero de naturaleza desconocida. Por esta razón le denominó radiaciones
X. Sólo en 1912 el físico alemán Max Von Laue determinó la naturaleza electromagnética de los
rayos X.
Explicación al fenómeno:
Los rayos X que descubrió Röentgen se generan en el interior de un tubo de descarga,
cuando colisiona un haz de rayos catódicos con un blanco metálico (trozo de metal) dispuesto
entre ambos electrodos. Los electrones provenientes del rayo catódico inciden sobre el metal,
excitando sus propios electrones, generando una radiación de frenado de alta frecuencia
denominados rayo X.
Propiedades de los rayos X:
1. Son radiaciones electromagnéticas.
2. Se propagan en línea recta a la velocidad de la luz.
3. Es imposible desviar su trayectoria mediante una lente o prisma, pero sí mediante una red
cristalina (difracción de rayos).
4. Son radiaciones ionizantes (ionizan gases).
5. Pueden destruir células vivas.
6. Atraviesan la materia. El grado de penetración depende de su energía y la naturaleza del medio
que atraviesan.
EL FENÓMENO DE LA RADIOACTIVIDAD.
Descubierta en forma accidental en 1896 por el científico francés Antoine Henry Becquerel,
la Radiactividad es una de las emisiones de energía atómica más sorprendentes y de mayor
utilidad a la fecha. Estudiando un mineral de Uranio (pechblenda), Becquerel observó
fosforescencia sin que el mineral hubiera sido expuesto previamente a la luz. Comprobó que el
mineral emitía radiación capaz de velar una placa fotográfica. La física polaca Marie Curie;
discípula de Becquerel, propone el término radiactividad para estas radiaciones espontáneas de
partículas y energía.
A fines de 1897 los esposos Curie (Pierre y Marie) descubren otros dos elementos
radiactivos, el polonio (Po) y el radio (Ra). En 1902 Ernest Rutherford demuestra que la
radiactividad genera transformaciones espontáneas y de este modo un elemento puede
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transformarse en otro. Finalmente en 1911 Marie Curie aísla el radio y obtiene su masa atómica,
el descubrimiento le significa su segundo premio Nobel.
DESINTEGRACIÓN DEL NÚCLEO.
Cuando un átomo se encuentra inestable en el núcleo, emite radiaciones de forma
espontánea. Muchas veces, también, es estable nuclearmente pero es posible inducir
artificialmente radiactividad bombardeándolo con partículas. Esto se hace regularmente en los
reactores nucleares con átomos livianos que no son radiactivos. En ambos casos, el fenómeno
ocurre con liberación de energía y los núcleos hijos generados son siempre más estables que el
predecesor.
La forma de representar estos tipos de reacciones es la siguiente:





Se conocen comúnmente 5 tipos de emisiones radiactivasEmisión de partículas alfa (α)
Emisión de partículas beta (β)
Emisión de rayos gamma (γ)
Emisión de positrones (β +)
Captura electrónica (CE)
EMISIÓN ALFA
Son partículas con carga positiva +2 y 4 unidades de masa atómica.
Corresponden a núcleos de Helio y presentan bajo poder de penetración
en la materia, pero gran capacidad ionizante
EMISIÓN BETA
Son partículas con carga negativa idéntica a los electrones, es decir, con carga -1, viajan a
una velocidad cercana a la de la luz, esta condición les permite atravesar la red de núcleos y de
electrones de algunos tipos de materiales. Son mucho más penetrantes que las radiaciones alfa y
se desvían frente a un campo electromagnético. Las emisiones beta provienen del núcleo,
producto de la desintegración de un neutrón. El átomo que queda de la desintegración aumenta
en 1 su número atómico, pero mantiene su número de masa (debemos mencionar que protón y
neutrón poseen aproximadamente la misma masa, 1 u.m.a).
Un ejemplo de desintegración beta es la del Torio-234:
EMISIÓN GAMMA
.
Corresponde a radiación electromagnética de alta energía y que no presenta masa. La
emisión gamma tiene lugar cuando un radioelemento existe en 2 formas distintas (isómeros
nucleares), ambos con el mismo número atómico y número másico pero con diferente energía. La
emisión de rayos gamma acompaña a la transición del isómero de mayor energía a la forma
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estable. Un ejemplo de esta isomería es el isótopo protactinio 234 (Pa), que existe con 2 estados
de energía diferentes, y en el que la emisión de rayos gamma indica la transición de uno al otro.
En la emisión de rayos gamma no hay cambios en el número de protones y neutrones en el
núcleo por lo tanto, no hay transmutación (cambio en la identidad de un átomo).
EMISION DE POSITRONES
La emisión de positrones se produce cuando un protón del núcleo se transforma en un
neutrón emitiendo una partícula denominada positrón (β +)
Cuando un positrón choca con un electrón, ambos desaparecen y se emiten dos fotones de
radiación gamma en un proceso llamado de aniquilación.
Los positrones se consideran antimateria debido a que al encontrarse con su contraparte
(electrones) se destruyen.
CAPTURA ELECTRÓNICA (CE)
Se produce captura electrónica cuando un electrón proveniente de las capas más internas
del átomo cae dentro del núcleo con lo cual un protón se transforma en neutrón. Esto provoca
una disminución en el número atómico, pero se mantiene constante el número de masa.
TRANSMUTACIÓN
La transmutación es un fenómeno donde un átomo se transforma en otro, por cambio en el
número de protones. Esta transformación puede ser natural cuando un átomo emite radiaciones
y o cuando se bombardea con neutrones un átomo que no es radiactivo. El nuevo elemento puede
ser también radiactivo y seguirá emitiendo hasta transformarse en otro, tantas veces, como sea
necesario. Lo anterior se conoce como serie radiactiva natural.
ESTABILIDAD NUCLEAR
Como ya se ha visto, es muy común que los elementos presenten isótopos, o sea, que
existan varios átomos del mismo elemento con distinta masa (A).
En radiactividad se utiliza con frecuencia el término núclido para aquellas especies con un
número definido de protones (Z) y neutrones (n), de modo que cada átomo se considera un
núclido. Ahora bien, varios núclidos con el mismo Z se consideran isótopos. El objetivo de
introducir esta nueva clasificación radica en que todos aquellos núclidos que emiten radiaciones
se denominan formalmente radionúclidos.
Un radionúclido, entonces, es la forma inestable de un elemento que libera radiación a
medida que se descompone y se vuelve más estable. Los radionúclidos se pueden presentar en la
naturaleza o producir en el laboratorio. En el campo de la medicina, por ejemplo, se usan para
las pruebas de imaginología y para tratamiento con radioterapia (radioisótopos). Así,
por ejemplo, son núclidos, mientras que
es un radionúclido, (eso, además de que los tres son
isótopos del Carbono).
ESTABILIDAD ATÓMICA
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Cuando se analiza la estabilidad de los núcleos atómicos siempre surge la misma
pregunta, ¿por qué unos átomos son estables mientras que otros no?, la respuesta se encuentra
cuando se analiza el núcleo atómico. Resulta difícil explicar cómo protones y neutrones se
mantienen unidos y cómo se mantiene la estabilidad (a pesar de que el núcleo presenta
partículas de gran masa y carga eléctrica idénticas haciendo evidente la repulsión entre ellas). La
explicación al fenómeno guarda relación con las denominadas interacciones de corto alcance
que se establecen entre neutrón-neutrón, neutrón-protón y por extraño que parezca protónprotón. Estas interacciones de corto alcance (fuerzas atractivas) permiten mantener unidos a los
nucleones. Como se aprecia en la gráfica, hasta Z=20 los átomos son estables, con igual
cantidad de neutrones y protones, a medida que Z aumenta se necesitan más neutrones para
estabilizar al núcleo puesto que las repulsiones aumentan.
Los núcleos que contienen 2, 8, 20, 50, 82 o 126 protones o neutrones tienden a ser más
estables que otros átomos. Por ejemplo, existen 10 isótopos estables para el estaño (Z=50) y sólo
2 para el antimonio (Z=51). La importancia de los números 2, 8, 20, 50, 82 y 126 para la
estabilidad nuclear es similar a la del número de electrones asociados a la estabilidad electrónica
de los gases nobles.
APLIQUEMOS
1. Una partícula Alfa se compone de
Nº Protones Nº Neutrones
A) 1
1
B) 2
2
C) 2
4
D) 4
2
E) 4
4
2.- Si un átomo radiactivo emitiera únicamente partículas beta negativas
A) disminuiría el número de partículas en su núcleo.
B) transmutaría a un átomo más liviano.
C) disminuiría su número de electrones.
D) aumentaría su número atómico.
E) disminuiría su número de protones.
3. En la siguiente reacción nuclear, la partícula X que colisiona
, entonces
presenta
I) 2 protones.
II) 4 neutrones.
III) 6 electrones.
De las anteriores, es (son) correcta(s)
A) sólo I.
B) sólo II.
C) sólo III.
D) sólo I y III.
E) I, II y III
4.
Para
la
siguiente
notación
química
6
la
opción
correcta
es