Procesos Nucleares

Procesos Nucleares
1
Prof. Rosina Pérez
¿A qué nivel estamos hablando?
NUCLEO ~ 10-14 m
Átomo
MATERIA ~ 10-9 m
2
Prof. Rosina Pérez
Electrón
ÁTOMO ~ 10-10 m
Protón
Neutrón
NUCLEO ~ 10-14 m
NUCLEÓN ~ 10-15 m
Quarks
NUCLEÓN ~ 10-15 m
El Núcleo
 El núcleo está compuesto por neutrones y protones.
 El número de protones es el Número Atómico
 La suma de los protones y los neutrones es el Nº Másico.
3
Prof. Rosina Pérez
Isótopos
 No todos los átomos del mismo elemento, tienen que tener
la misma masa. Pueden tener distinta cantidad de neutrones.
 Hay tres isótopos del Uranio que aparecen en la naturaleza.
 Uranio-234
 Uranio-235
 Uranio-238
4
Prof. Rosina Pérez
Descubrimiento de la radiactividad
Henri Becquerel
en 1896 en Francia
Pierre Curie
5
Prof. Rosina Pérez
Marie Curie
Radiactividad
 No es raro que algunos isótopos de un
elemento sean inestables (Radioactivos)
 Los llamamos radioisótopos
 Los radioisótopos pueden desintegrarse en
un isótopo distinto de varias formas.
Premio Nobel compartido1903
Marie Sklodowska Curie
por el descubrimiento de la Radiactividad (recomiendo enfáticamente
leer su biografía)
Premio Nobel 1911
Descubrimiento del Po y el Ra
6
Prof. Rosina Pérez
Tipos de emisiones radiactivas
Lord Ernest Rutherford
Premio Nobel de Química 1908
'Por sus investigaciones sobre la desintegración
de los elementos, y sobre la química de las sustancias radiactivas"
Experimento de Rutherford:
Efecto de un campo eléctrico sobre las radiaciones
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Prof. Rosina Pérez
Tipos de desintegración
Radiactiva
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Prof. Rosina Pérez
Desintegración Alfa:
Pérdida de una particula alfa α (un núcleo de Helio)
4
2
238
92
9
Prof. Rosina Pérez
U
He
234
90
4
2
Th + He
Desintegración Alfa:
238
92 U
234
90Th
4
2 He
 Suma de nº másicos: 238 = 234 + 4
 Suma de nº atómicos: 92 = 90 + 2
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Prof. Rosina Pérez
Desintegración Alfa:
212
83
Bi
208
81
Tl
4
2
 Suma de nº másicos: 212 = 208 + 4
 Suma de nº atómicos: 83 = 81 + 2
11
Prof. Rosina Pérez
Desintegración Beta:
Pérdida de una partícula Beta β (un electrón de alta energía)
0
−1
131
53
12
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I
o
131
54
0
−1
e
Xe
+
0
−1
e
Desintegración Beta:
Pérdida de una partícula Beta β (un electrón de alta energía), que sale
de la desintegración de un neutrón en un protón más un electrón de
alta energía .
0
0
o −1
−1
e
1
0
n
12
5
13
1
1
p
B
Prof. Rosina Pérez
+
0
−1
e
Neutrón = protón + electrón
12
6
C
0
1
e
Nº másico queda igual, aumenta en
1 unidad el Nº atómico
Emisión Gamma γ:
Pérdida de un rayo gamma γ (Radiación de alta energía que
casi siempre acompaña la pérdida de una partícula
nuclear).
0
0
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Estabilidad nuclear
 ¿Qué factores determinan si el núcleo es
naturalmente estable o inestable?
 Si nos fijamos en el rango de núcleos estables que existen en
la naturaleza, hay dos observaciones
 1. El tamaño del núcleo.
 2. La composición del núcleo (relación protón/neutrón)
15
Prof. Rosina Pérez
El tamaño del núcleo.
No hay núcleos estables más allá del
16
Prof. Rosina Pérez
209
83
Bi
Relaciones Neutrón-Protón
 Cualquier elemento que tenga
más de un protón (por ej.
cualquier elemento que no sea
el Hidrógeno), va a tener
fuerzas de repulsión entre los
protones del núcleo.
 Lo que los mantiene juntos es
una fuerza nuclear muy fuerte.
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Prof. Rosina Pérez
Relaciones Neutrón-Protón
 Los neutrones son
fundamentales para estabilizar
el núcleo.
 Es por eso que es tan
importante la relación entre la
cantidad de protones y
neutrones.
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Prof. Rosina Pérez
Relaciones Neutrón-Protón
Los núcleos pequeños (Z 20)
estables tienen una relación
Neutrón-Protón de 1:1
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Prof. Rosina Pérez
Relaciones Neutrón-Protón
En la medida que el núcleo se va
agrandando, se necesita mayor
cantidad de neutrones para
estabilizar al núcleo.
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Isótopos estables
La región sombreada de la figura
muesta qué isótopos serían
estables.
A esta región se le llama
cinturón de estabilidad.
21
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Isótopos estables
 Los isótopos que están
por arriba del cinturón
tienen demasiados
neutrones.
 Tienden a desintegrarse
emitiendo partículas beta.
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Prof. Rosina Pérez
Estabilidad nuclear
 Los que son estables son los
que están dentro del
cinturón de estabilidad
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Prof. Rosina Pérez
Isótopos estables
 No hay núcleos estables con números atómicos mayores a
83.
 Los núcleos tan grandes tienden a desintegrarse por
emisión alfa.
24
Prof. Rosina Pérez
Series radiactivas
 Los grandes núcleos
radiactivos no se estabilizan
con una sola transformación
radiactiva.
 Deben pasar por una serie de
estados y desintegraciones
antes de formar un núcleo
estable. (En general un
núcleo de plomo).
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Transformaciones Nucleares
Se pueden inducir
transformaciones
nucleares.
Para ello se acelera una
particula y se la hace
chocar contra un núcleo.
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Radiactividad inducida artificialmente
 Rutherford 1919.
 Irene Joliot-Curie.
27
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Premio Nobel compartido en 1938
Aceleradores de partículas
Estos aceleradores de partículas son enormes. Tienen forma circular,
con radios que pueden a llegar a medir kilómetros. Este es el
acelerador del CERN en la frontera entre Francia y Suiza.
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Prof. Rosina Pérez
Midiendo la radiactividad
 La radiactividad se puede medir. Se puede utilizar un
instrumento como este contador Geiger para medir la
cantidad de actividad radiactiva presente en una muetra
radiactiva.
 La radiación ionizante crea iones que conducen una corriente
que es detectada por el intrumento.
29
Prof. Rosina Pérez
¿Qué significa “Radiación ionizante”?
 Las partículas
cuando pasan cerca de 1 átomo,
“descolocan” e-lo que se llama radiación ionizante. Esos son
e- primarios.
 Algunos e- primarios tienen energía suficiente para ionizar
otros átomos y moléculas, esos son los e- secundarios
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Prof. Rosina Pérez
Radiación ionizante
 La radiación ionizante pude excitar e- a mayores niveles de
energía que después pueden emitir en forma de rayos X o luz
u.v.
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Prof. Rosina Pérez
Midiendo la radiactividad
 La radiactividad se puede medir. Se puede utilizar un
instrumento como este contador Geiger para medir la
cantidad de actividad radiactiva presente en una muetra
radiactiva.
 La radiación ionizante crea iones que conducen una corriente
que es detectada por el intrumento.
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Prof. Rosina Pérez
Detector de radiación
El dispositivo
más familiar de
detección de
radiación es el
contador
Geiger–Müller
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Prof. Rosina Pérez
Medidores de radiación
 Dosímetros
34
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Contador Geiger-Müller
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Prof. Rosina Pérez
Vida Media de un elemento radiactivo
Es el tiempo que demora en
reducirse a la mitad de la masa
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Prof. Rosina Pérez
Vidas medias de isótopos seleccionados
La vida media es una propiedad característica del isótopo
37
Prof. Rosina Pérez
¿Qué son capaces de atravesar
las radiaciones?
Las distintas radiaciones tienen distinta capacidad de
penetración en los medios materiales debido a las interacciones
que intervienen en el proceso de frenado de las partículas y
propiedades de las mismas partículas como masa, carga, ...
ALFA α
BETA β
GAMMA γ
Papel
Cobre
Plomo
Hormigón
Distancias aproximadas para detener
la radiación
Los diferentes materiales tienen diferente
capacidad de bloquear la radiación
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Prof. Rosina Pérez
Energía en las reacciones nucleares
 El núcleo tiene una cantidad impresionante de energía en su
interior.
 La famosa ecuación de Einstein
E = mc2
nos da la
relación directa para el cáculo de esta energía.
40
Prof. Rosina Pérez
Energía en las reacciones nucleares
 Como vimos previamente, la cantidad de masa que se
convierte en energía en las reacciones químicas es bajísima.
 Sin embargo, en las reacciones nucleares esa energía es miles
de veces más grande.
m = –0.0061 u.m.a. , si fuera no 1 átomo de
Am, sino 602.000 trillones de átomos de Am,
sería m = –0.0061 gramos
41
E = ( m) c2
E = (−6,1 10−6 kg)(3.00
Prof. Rosina Pérez
E = −5,5 1011 J
108 m/s)2
Energía en las reacciones nucleares
Por ejemplo, el cambio de masa en la desintegración de un 238 g de
uranio-238 es de 0,0046g.
El cambio de energía( E) es entonces,
E = ( m) c2
E = (−4.6 10−6 kg)(3.00 108 m/s)2
E = −4.1 1011 J
42
Prof. Rosina Pérez
Fisión Nuclear
 ¿Cómo se genera toda esa energía?
 La fisión nuclear es el tipo de reacción que se lleva a cabo
en los reactores nucleares.
43
Prof. Rosina Pérez
La Fisión es la ruptura de un núcleo
grande en otros dos fragmentos más
chicos …se libera aprox. 8 × 107 kJ/g
44
Prof. Rosina Pérez
Fisión Nuclear
 El proceso empieza cuando se bombradea un núcleo
radiactivo con un neutrón.
 Los Neutrones que se escapan en el choque, chocan con
otros núcleos, estos generan la desintegración y
liberación de otros neutrones.
45
Prof. Rosina Pérez
Fisión Nuclear
El proceso continúa en lo que se llama una reacción en
cadena.
46
Prof. Rosina Pérez
Fisión Nuclear
Si no hay suficientes núcleos radiactivos en el camino de los
neutrones expulsados, la cadena se detiene.
47
Prof. Rosina Pérez
Fisión Nuclear
Por lo tanto debe haber una cantidad mínima de material
fisionable, para que la reacción en cadena pueda sostenerse.
A esta cantidad mínima se le llama Masa crítica.
48
Prof. Rosina Pérez
49
Prof. Rosina Pérez
Agosto 06,
2014
Hace 70 años
del estallido de
la bomba en
Hiroshima.
50
Prof. Rosina Pérez
Reactores nucleares
En los reactores nucleares, el calor generado por la
reacción, se utiliza para generar vapor. Este vapor mueve
una turbina que está conectada a un generador. De esta
manera se genera electricidad a partir de la reacción
nuclear.
51
Prof. Rosina Pérez
Diagrama de un Reactor Nuclear
presurizado
52
Prof. Rosina Pérez
Reactores nucleares
 La reacción se mantiene
controlada por el uso de barras
de control.
 Estas barras bloquean los
caminos de algunos neutrones,
evitando que el sistema llegue a
una masa supercrítica. (Muy
peligroso)
53
Prof. Rosina Pérez
Sala de control del Reactor Nuclear…
54
Prof. Rosina Pérez
Fisión Nuclear
 Para 235 gramos de U-235 la E liberada es de 2x1013 J.
 1 Ton de carbón libera 8x107 J.
 1 kg de U libera la misma energía que 12.000 kg de TNT
90
37
235
92
U
1
0
n
87
35
77
30
55
Prof. Rosina Pérez
Rb
144
55
1
0
Br
146
57
1
0
Zn
160
62
Cs 2 n
La 3 n
1
0
Sm 4 n
Radiactividad natural
La radiación natural a
la que está expuesta
la población proviene
de la desintegración
de
isótopos
radiactivos en la
corteza terrestre, de
la radiación cósmica y
de
los
isótopos
radiactivos
que
forman parte de los
seres vivos, también
llamada
radiación
interna
Rayos
Cósmicos
12%
Radiación
Gamma 15%
Radón 40%
Radiación
Interna 15%
Tratamientos
Médicos 17%
Fuentes naturales de irradiación
humana
57
Prof. Rosina Pérez
58
Prof. Rosina Pérez
El Radón en nuestras vidas
El
radón
emana
continuamente de la
superficie terrestre. El
radón es un gas y por
tanto es respirado por los
seres vivos. Cuando este
elemento queda atrapado
en algún recinto su
concentración
puede
aumentar
considerablemente
y
causar daño en los seres
vivos, por eso hay que
ventilar las casas.
Efectos biológicos de la radiación
61

La radiación ionizante puede producir daños en el material
biológico que constituye el organismo humano.

Este daño será el resultado de la transferencia de energía de
las radiaciones a las moléculas de estas estructuras.

Especialmente significativas a las macromoléculas como ADN
y todo mecanismo portador de la información para el control
fisiológico-bioquímico del organismo.
Prof. Rosina Pérez
Efectos biológicos
 Daños agudos inmediatos:
 Quemaduras de la piel
 Hemorragias
 Diarreas
 Infecciones
 Efectos tardios:
 Cáncer
 Efectos hereditarios
62
Prof. Rosina Pérez
Efectos biológicos de la radiación
1.- Relación entre la magnitud del daño y la gravedad de la
enfermedad (la dosis es directa)
2.- Los efectos se producen en un plazo relativamente breve
(días).
3.- Existe un umbral.
63
Prof. Rosina Pérez
Factores que influyen en los
efectos biológicos
Son propios de la radiación ionizante:
 Naturaleza
 Su energía
 Intensidad
 Composición
Efectos cancerígenos
 Sobrevivientes de Hiroshima y Nagasaki. 86.000 personas recibieron al menos
0.005 Sv. En este grupo el desarrollo de cáncer excedió al de grupos control.
 Se produjeron 334 muertes en exceso por tumores sólidos y 87 muertes en
exceso por leucemia.
De 86.572 sobrevivientes de Hiroshima y Nagasaki 7,827
personas murieron de cáncer en 1950-90:
Tumores
Leucemia
Total
Observados
7578
249
7827
Esperado
7244
162
7406
Ref: Pierce et al, Rad.Res. 146: 1-27, 1996
65
Prof. Rosina Pérez
en Exceso (%E)
334
(4.4)
87
(35.0)
421
(5.4)
Efectos hereditarios
La irradiación de las gónadas pueden producir mutaciones, las
que pueden ser transmitidas a los descendientes de las
personas irradiadas. En los descendientes pueden aparecer
anomalías de todo tipo y en todos los órganos y tejidos.
Hasta la fecha no existe evidencia científica alguna de efectos
hereditarios en el hombre a ningún nivel de dosis. Todos los
valores que uno encuentra en la literatura son
extrapolaciones de los resultados en animales de
experimentación, al hombre. Y las estadísticas obtenidas en
las zonas de Hiroshima, Nagasaki y Chernobyl.
66
Prof. Rosina Pérez
Beneficios de la Radiación 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 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.
Diagnóstico
Radiológico (Rayos X)
Medicina Nuclear
Radioterapia
ETC;ETC…
68
Prof. Rosina Pérez
Tomografía por Emisión de Positrones
Irradiación de alimentos
Tratamiento
equivalente a la
pasteurización o
esterilización
69
Prof. Rosina Pérez
Desactiva
enzimas, mata
microorganismos y
parásitos
Radiación para mejorar alimentos
En las papas se evitan los brotes
70
Prof. Rosina Pérez
Radiación para mejorar alimentos
En las frutillas se evita el típico moho blanco
71
Prof. Rosina Pérez
Resumen de conceptos
 Qué es la radiactividad
 Tipos de radiaciones
 Tipos de decaimiento radiactivo
 Cinturón de estabilidad y relación N/Z
 Diferencias entre radiactividad natural y artificial
 Vida media
 Fisión nuclear
 Fuentes naturales de Radiactividad
 Efectos y usos de la radiación
72
Prof. Rosina Pérez