Tema 2: Núcleo y reacciones nucleares

Tema 2- Núcleo y reacciones nucleares
Maturita Química
Tema 2: Núcleo y reacciones nucleares
Historia del núcleo:
 Rutheford
- Descubrió el núcleo atómico (1911). Realizó un experimento donde hizo chocar partículas 
(núcleos de He, 24 He2 ) contra una fina lamina de oro, la mayoría de esas partículas traspasaban la
lámina casi sin desviarse, pero algunas rebotaban, lo cual demostró la existencia del núcleo atómico.
- Descubrió que el átomo está formado por un núcleo que es mucho más pequeño que el resto del átomo
pero es donde se concentra casi toda la masa atómica y toda la carga positiva.
- Después también descubrió el protón y propuso que los electrones están girando alrededor del núcleo
(corteza electrónica, “modelo planetario”)
 Chadwick
- Descubrió el neutrón (1932).
- Experimento en el cual bombardeó Be con radiación α, se observó que en ese caso se emitía una
radiación muy penetrante que se concluyó estaba formada por partículas sin carga eléctrica (pues no
eran desviadas por campos eléctricos ni magnéticos)
Propiedades del núcleo:
 Es un cuerpo muy pequeño que se encuentra en el centro del átomo, es mucho menor que el resto del
átomo (105 veces más pequeño ratomo>10-10=1Å, rnucleo 10-15) pero aquí se concentra casi toda la masa
atómica (>99%).
 Está compuesto por unas partículas llamadas nucleones que pueden ser de dos tipos: protones y
neutrones (debido a los protones el núcleo tiene carga positiva).
 Los protones poseen carga positiva y los neutrones carecen de carga eléctrica.
 Los nucleones se mantienen unidos gracias a la interacción nuclear fuerte, la cual
permite que el núcleo sea estable, a pesar de que los protones se repelen entre sí.
Esta interacción fundamental de la naturaleza:
◦ Actúa entre nucleones (independientemente de su carga eléctrica)
◦ Es mucho más intensa que la electromagnética (repulsión electrostática)
◦ Disminuye muy rápido con la distancia haciéndose casi nula fuera del núcleo.
 Cualquier tipo de agrupación de nucleones (cualquier tipo de núcleo) se le denomina nucleido (o núclido).
Se caracteriza por:
◦ El número atómico (Z, número de protones)
◦ El número másico (A, número total de nucleones –protones+neutrones-)
◦ Se representa mediante1: ZA X
 Los diferentes elementos químicos se caracterizan –y se diferencian entre si- por el número atómico [Z]
 Dos nucleidos diferentes pueden ser:
◦ Isótopos: los elementos con mismo [Z] (con mismo número de protones, el número de neutrones [N]
puede ser diferente). Ej: el deuterio 2H y del tritio 3H; o el 12C y el 14C
◦ Isóbaros: nucleidos con el mismo número de nucleones (número másico, A) pero distinta cantidad de
protones y neutrones (distinto Z). Ej: 40K y el 40Ca
 Cuando se forma el núcleo, cierta masa de las partículas pasa a ser energía (según la teoría de Einstein:
E  mc2 )2. A la cantidad  m se le denomina defecto de masa y es la diferencia entre la masa del
núcleo formado y la suma de las masa de sus nucleones (antes de unirse):
m  Zmp  ( A  Z )mn  M núcleo
 La estabilidad de un nucleido depende de muchos factores, pero se observa que un número parecido de
protones y neutrones (ZN) favorece esta estabilidad. Según Z aumenta (para núcleos pesados) son
necesarios un número de neutrones mayor que Z para mantener la estabilidad (ver figura 4 en anexo). A
partir del elemento de Z=82 (plomo 82Pb) no se conocen ningún elemento estable.
1
Aunque si se utiliza la letra del elemento, normalmente no se escribe el número Z por ser una información redundante.
Que se libera en forma de energía electromagnética (o radiación γ) o cinética de las partículas (y es la que se aprovecha en las centrales nucleares).
Está energía esta relacionada con la energía de enlace que mantiene unidos a los nucleones.
2
1
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Desintegración de nucleones
- según las teorías modernas, los nucleones pueden desintegrarse creando un nucleón del tipo contrario (y
alguna otra partícula), por ejemplo: un neutrón se puede desintegrar originando un protón y un electrón.
Existen tres posibilidades:
◦ 01n  11p + -10e
◦ 11p + -10e  01n (la reacción contraria)
◦ 11p  01n + +10e
Radioactividad
 La radiactividad es una propiedad de muchos elementos (denominados radiactivos) cuyos núcleos son
"inestables" consistente en la emisión de ciertos tipos de radiación por parte de estos núcleos. Estas
radiaciones son capaces de ionizar la materia.
 Se debe a que los núcleos son inestables o están en un estado excitado (de alta energía y por tanto
inestable) en el que no pueden permanecer “eternamente”, con lo que, para alcanzar un estado estable,
deben perder ese exceso de energía descomponiéndose o emitiendo radiación.
 Puede ser natural (manifestada por los isótopos que se encuentran en la naturaleza) o artificial
(manifestada por los radioisótopos producidos en transformaciones artificiales, reacciones nucleares en
laboratorio o en reactores de centrales nucleares, también bombas)
 Se utiliza para la obtención de energía nuclear, se usa en medicina (radioterapia y radiodiagnóstico), en
aplicaciones industriales o científicas (análisis de estructuras, datación de muestras..) y como armas de
destrucción masiva
Radioactividad natural
Fenómeno presente en isótopos inestables de muchos elementos, especialmente con núcleos pesados –
elevado Z y A, ej: el Bi, U-), y/o si la diferencia de N y Z es demasiado grande (los núcleos son más estables si
hay un número similar de neutrones y de protones)
Radioactividad artificial
Ocurre cuando se irradian elementos (incluso estables) con algún tipo de radiación, este se transforma en
otro elemento inestable -y por tanto radiactivo- que emitirá radiación y se transformará en otro elemento más
estable.
La radioactividad puede estar compuesta por tres tipos de radiación:
1) Radiación α: (ver figuras sobre poder de penetración en anexo)
- Compuesta de un flujo de núcleos de 24He ( 24He2 )
- Tiene un efecto de ionización muy fuerte, pero es muy poco penetrante (no
avanza mucho en el aire y no traspasa una hoja de papel o la piel humana)
- El elemento (X) de desintegra (rozkládá) formando 24He y un elemento más
ligero (Y) y junto con esto más estable3:
A
Z
X ZA42Y  24He
Partícula Alfa
A-4, Z-2
A, Z
Ejemplo:
U
238
92
Th  24He2
234
90
2) Radiación β:
- Compuesta por un flujo de electrones -10e (o -10e) que se desprenden del núcleo
durante la desintegración de los neutrones o protones
- Su poder de ionización es menor que la α pero es alrededor de cien veces más
penetrante que la radiación α pero su efecto de ionización es menos intenso (no
atraviesa una fina chapa de aluminio o los tejidos humanos)
- Existen dos tipos de radiación β (el Z puede aumentar o disminuir, el elemento se hace más estable)
3
1ª ley de Fajans-Soddy del desplazamiento radiactivo.
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◦ Desintegración  : se producen electrones (  - o -10e ) y antineutrinos ( ) procedentes de la
transformación de un neutrón en un protón dentro del núcleo (01n  11p + -10e):

A
Z
X 
Y 
A
Z 1
0
-1
(o más detallado:
e
A
Z
X Z A1Y     )
40
19
Antineutrino
A, Z
A, Z+1
Partícula Beta menos
(electrón)
14
6
K
40
20
Ca  10 e
C  147N  10 e
◦ En la emisión  , se producen positrones y neutrinos procedentes de la transformación de un
protón en un neutrón dentro del núcleo (11p  01n + +10e):

A
Z
X 
Y 
A
Z 1
0
1
e
(o más detallado:
A
Z
X Z A1Y     )
Neutrino
A, Z-1
A, Z
Ejemplos: a) β-:
32
15
32
P  16
S
0
1
e ( 01 n  11p 
Partícula Beta más
(positrón)
0
1
13
7
11
6
N  136C 
C  115B 
e ); b) β+: 137 N  136C 
0
1
0
1
0
1
e
e
e ( 11 p  01n 
0
1
e)
3) Radiación γ:
-Es energía emitida en forma de fotones muy energéticos (radiación electromagnética,
elektromagnetické vlnění).
- Es la radiación más penetrante (atraviesa los tejidos humanos y para “pararla” es necesario una
gruesa placa de plomo un muro de hormigón o un tanque de agua de mayor o menor espesor)
- Se emite cada vez que el núcleo esta en un estado excitado y se relaja hasta su estado fundamental.
Generalmente ocurre en todos los casos, acompañando a las radiaciones α o β.
Las series radiactivas (o cadenas de desintegración) (rozpad): (ver figuras en anexo)
Es el proceso mediante el cual un isótopo radiactivo se transforma en otro isótopo que a su vez se
desintegra en otro y así sucesivamente hasta alcanzar un isótopo estable, es decir, los elementos inestables se
transforman en elementos más ligeros hasta que son estables (mediante radiación α o β y siempre emitiendo
energía en forma de fotón -radiación γ-)
 del uranio (o del Radio): 238U  206Pb
 del actinuranio (o del actinio): 235U  207Pb
 del torio: 232Th  208Pb
 de neptunio (artificial): 241Pu  209Bi
Desintegración radiactiva:
El número de átomos radiactivos en una muestra
disminuye con el tiempo (al ir estos transformándose). Si N(t) es el
número de átomos que todavía no se han desintegrado en un
determinado instante de t, el número de emisiones por unidad de t
es proporcional a N(t)4:
Decaimiento radiactivo del
238U
dN (t )
  N (t )
dt
donde la constante de proporcionalidad  se denomina constante
radiactiva del elemento (característica de cada isótopo radiactivo) .
4
El signo menos de la ecuación es porque N disminuye con el tiempo, es una velocidad negativa
3
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Esta ecuación tiene la solución (ver figura):
N (t )  N0et Como se puede ver en la gráfica es una ley exponencial
Periodo de semidesintegración radiactiva o semivida (T1/2) (poločas rozpadu):
Es el tiempo que transcurre hasta que la cantidad de núcleos radiactivos de un isótopo radiactivo se reduzca
a la mitad de la cantidad inicial (esto se usa para descubrir la edad de fósiles etc.)
N (T ) 
N0
ln 2
 N 0 e  T  T1/ 2 
  ln 2
2

Vida media de un isótopo: tiempo medio que tarda un núcleo en desintegrarse, es decir, la esperanza de vida
media de los núcleos de determinado isótopo radiactivo:

1

Reacciones nucleares:
 Transmutación
- Consiste en la conversión de un núcleo de cierto elemento en un núcleo de otro
- En naturaleza esto pasa en elementos inestables – se están transformando en
elementos más ligeros hasta que sean estables
- Así se pueden preparar elementos que no existen normalmente en la naturaleza
4
2
1
- Ejemplo: 209
 211
83 Bi  2 He
85 At  2·(0 n)
 Fisión nuclear
- Un núcleo pesado se desintegra en dos núcleos de elementos más ligeros y un par de
neutrones.
- Con esto se libera mucha energía
- Se producen reacciones en cadena porque cada uno de los
neutrones liberados pueden a su vez inducir nuevas fisiones en
núcleos próximos
Ejem.:
U  01n 
235
92
140
56
Ba 
Kr  3·(01n) + energía nuclear
93
36
 Fusión nuclear (reacción termonuclear)
- núcleos ligeros se transforman en núcleos más pesados
- para esto es necesaria mucha energía y alta temperatura ( > 120 000 000 K, para que
las partículas al chocar superen la repulsión eléctrica).
- esto pasa generalmente en los núcleos de planetas
- Ejemplo: 12 H  13H  24He  01n
(el neutrón posee mucha energía cinética, que al chocar con otros átomos se transforma
en calor, lo que ayuda a mantener la temperatura necesaria para la reacción, la energía
liberada en esta reacción es casi 10× mayor que fisión nuclear con la misma masa
atómica)
Aplicaciones
- En medicina:
El uso de la radiación en el diagnóstico y el tratamiento de enfermedades se ha convertido en una
herramienta básica en medicina. Con ella se puede 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. Las aplicaciones se pueden dividir en dos grandes grupos:
Radiodiagnóstico: (PET, gammagrafía,…) Consiste en utilizar elementos químicos radiactivos denominados
contrastes o marcadores que se introducen en el cuerpo del paciente, la radiación emitida por el
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contraste (o el marcador) se pueden realizar imágenes detalladas del interior del cuerpo humano o
realizar el seguimiento de hormonas, etc.
Radioterapia: Consiste en el uso de la radiación como tratamiento terapéutico en oncología. Se irradia al
paciente con fotones de alta energía para eliminar las células tumorales intentando afectar lo mínimo
posible a las células sanas.
(Ver ejemplos concretos en Anexo)
- En industria:
 Para la "reproducción" (šlechtitelství): la irradiación de las semillas produce mutaciones y por lo tanto
podemos obtener cultivos con propiedades diferentes o crear cultivos completamente nuevos
 Para la protección de los alimentos almacenados: la irradiación de los alimentos por el radiocobalto
puede destruir los microorganismos que normalmente causan la putridez
- Producción de energía eléctrica (reactor nuclear)
Reactor nuclear
1. Bloque del reactor
2. Torre de refrigeración
3. Reactor
4. Barras de control
5. Soporte de presión
6. Generador de vapor
7. Fuel
8. Turbina
9. Generador
10. Transformador
11. Condensador
12. Partículas de gas
13. Líquido
14. Aire
15. Aire (húmedo)
16. Río
17. Circuito de refrigeración
18. Circuito primario
19. Circuito secundario
20. Bomba de vapor de agua
Un reactor nuclear es un dispositivo en donde se produce una reacción nuclear controlada. Esta reacción
libera grandes cantidades de energía y se puede controlar introduciendo entre el combustible unas barras
de control (de aleaciones de Cd-Ag-Ir, de CB4...) que "absorben" los neutrones, o sea, moderan la reacción.
Alrededor hay un "circuito de agua" que enfría el reactor. El agua del circuito secundario se pone en
contacto térmico con el agua del circuito primario que refrigera el reactor, el calor absorbido la convierte en
vapor que va a la turbina y la pone en movimiento. La turbina mueve el generador de energía eléctrica
(alternador) y en el generador la energía mecánica de la rotación de la turbina se convierte en energía
eléctrica. En el condensador el vapor se enfría condensándose a estado líquido de nuevo gracias al contacto
con el agua fría proveniente de la torre de refrigeración.
(mejor se ve en este video: http://www.nri.cz/web/ujv/jak-funguje-jaderny-reaktor)
- Fabricación de bombas (bomba atómica, bomba H (termonuclear))
Una bomba atómica es un dispositivo que obtiene una gran cantidad de energía de reacciones nucleares.
Su funcionamiento se basa en provocar una reacción nuclear en cadena descontrolada. Es una arma de
destrucción masiva y su explosión produce una nube en forma de hongo. La bomba atómica fue desarrollada
por Estados Unidos durante la II Guerra Mundial, y es el único país que ha hecho uso de ella. (En 1945,
contra Hiroshima y Nagasaki).
bomba H (termonuclear):
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Las bombas de hidrógeno lo que realizan es la fusión (no la fisión) de núcleos ligeros (isótopos del
hidrógeno) en núcleos más pesados. La bomba de hidrógeno (bomba H) o bomba termonuclear se basa en la
obtención de la energía desprendida al fusionarse dos núcleos atómicos, en lugar de la fisión de los mismos.
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ANEXO:
Poder de penetración de las distintas radiaciones
Series radiactivas del Uranio:
Estabilidad núcleos:
(figura 4)
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Radiaciones Alpha y Beta:
Ejemplos de radiodiagnóstico:
SPECT (Tomografía Computerizada por Emisión de Fotón Simple): Un
radioisótopo emisor de fotones gamma es introducido en el paciente. Los
fotones emitidos son detectados en una gammcámara plana. Mediante
técnicas de reconstrucción de imagen se puede conseguir una imagen del
interior del cuerpo.
PET (Tomografía por Emisión de Positrones): Un emisor de positrones es
introducido en el paciente. Al producirse la desintegración (rozpad) se
emiten positrones que posteriormente "desaparecen" dando lugar a los fotones. Estos fotones son
detectados y mediante técnicas de reconstrucción de imágenes se obtiene una imagen del interior del
cuerpo.
Ejemplos de decaimientos radiactivos:
Alpha:
Beta +: ( 10  es lo mismo que
Beta -:
131
53
I
Xe 
131
54
0
1
13
7
N C
22
11
11
6
22
Na  10
Ne 
13
6
0
1
0
1
e)
e (en PET)
e
C B
11
5
0
1
0
1
e
e
8