Colegio W. A. Mozart Sector: Química Prof.: Ivonne Gacitúa

1
NOMBRE:
NOTA (ACUMULATIVA):
CURSO: 4º medio
PUNTAJE:
FECHA:
ACTIVIDAD ACUMULATIVA: “FENÓMENOS NUCLEARES”
Aprendizajes esperados:
- Comprender qué es la radiactividad a partir de la estructura atómica.
- Conocer el origen de la radiactividad, su composición y propiedades.
- Distinguir las diferentes clases de emisiones radiactivas y sus propiedades.
- Conocer las leyes que rigen la desintegración radiactiva.
- Reconocer los principales beneficios de la utilización de tecnologías nucleares para el ser humano.
- Reconocer y evaluar los riesgos para el ser humano de las emisiones radiactivas naturales e inducidas y
aprender sobre métodos de protección.
Introducción:
El término reacción nuclear se aplica a una variedad de procesos que involucran
colisiones entre núcleos. En una reacción nuclear típica inciden núcleos a sobre núcleos
blanco X. Los núcleos a y X interactúan a través de las fuerzas nucleares (y
electromagnéticas si alguno de ellos tiene carga eléctrica no nula) y producen nuevos
núcleos b e Y. Es decir, a + X → Y + b
Usualmente, tanto la partícula incidente a como la saliente b son nucleones o
núcleos livianos (deuterones, α, etc.) mientras que X e Y son núcleos más pesados.
Sin embargo, también son habituales reacciones donde, por ejemplo, los proyectiles
son más pesados.
Cuando un átomo radiactivo se desintegra, las partículas que están dentro de él
(neutrón, protón y electrón) dan origen a otras partículas. Las partículas alfa y beta y
la radiación gamma son las más características de un fenómeno de radiación nuclear;
también
se
emiten
otras
como
positrones
y
neutrones.
El decaimiento de un átomo radiactivo se expresa como una reacción química,
indicando número atómico y másico de cada una de las especies de la reacción. Estas
reacciones se llaman reacciones nucleares, y tiene características distintas de las
reacciones químicas comunes.
Decaimiento alfa
Un ejemplo de emisión de una partícula alfa es la del polonio, elemento descubierto
por los Curie:
El elemento que se forma después del decaimiento alfa tiene un número atómico
menor en dos unidades y un número másico menor en cuatro unidades respecto al
elemento que lo genera.
Decaimiento beta
Un neutrón puede transformarse en un protón al emitirse un electrón, reacción que
puede escribirse de la siguiente forma:
El electrón emitido abandona el núcleo a altísima velocidad. En este proceso, el
número másico no se altera (disminuye un neutrón y se genera un protón), pero el
átomo que se forma tiene en su núcleo un protón más que el inicial; por lo tanto, el
número atómico aumenta en una unidad. Un ejemplo de decaimiento beta es:
Emisión gamma
La radiación gamma se emite debido a cambios de energía dentro del núcleo. Su
emisión no provoca variación en el número másico y tampoco en el número atómico.
Simplemente se trata de un núcleo excitado que libera energía de esta forma:
El isótopo radiactivo inicial es denominado padre o progenitor; el producto se conoce
como descendiente.
2
Emisión de positrones
Cuando un elemento radiactivo emite un positrón, el elemento que se forma tiene un
número atómico menor en una unidad y el número másico permanece igual:
Un positrón es idéntico a un electrón, pero tiene carga positiva y masa 0. Es muy
probable que se forme en el núcleo cuando un protón se transforma en un neutrón:
Al igual que una partícula beta, un positrón tiene un pequeño poder de penetración.
Por ejemplo, el nitrógeno-13 se desintegra al liberar un positrón:
Captura de electrones o captura-K
La captura de electrones es un proceso en el cual un núcleo “atrapa” un electrón de
su nivel más interno (capa K, según la antigua nomenclatura) y convierte al protón en
un neutrón:
Cuando un elemento experimenta el proceso de captura de electrones, su número
atómico disminuye en 1, pero su número másico permanece inalterado. Por ej.
Es necesario considerar cómo se escriben y balancean las ecuaciones nucleares. Para
ello se debe señalar los símbolos de los elementos químicos y además indicar el
número
de
protones
y
neutrones
que
tiene
cada
elemento.
Al
balancear
una
ecuación
nuclear,
se
deberá
cumplir
que:
1. El número total de protones y neutrones en los productos y en los reactantes sea el
mismo
(conservación
de
la
masa).
2. El número total de cargas nucleares en los productos y en los reactantes sea el
mismo (conservación de la carga nuclear).
Vida media
La desintegración de uranio es extremadamente lenta, comparada con la
desintegración de torio. Cada una de estas desintegraciones tiene un periodo de
semidesintegración, llamado también semivida, característico para cada elemento. La
semivida representa el tiempo necesario para que la mitad de la materia radiactiva se
desintegre. Además, es independiente de la cantidad de sustancia radiactiva presente
y está determinada únicamente por el tipo de núcleo radiactivo. Algunos isótopos
radiactivos tienen semividas muy largas, mientras las de otros son extremadamente
cortas. Por ej: C-10=20 segundos; C-11=20 minutos; C-14=5730 años; C-16=0,7 seg
Para calcular el tiempo de vida media de algún elemento radiactivo debemos utilizar:
Nt = nº conteo radiactivo al tiempo t.
N0 = nº conteo radiactivo inicialmente.
λ = constante de decaimiento.
Semivida de los elementos radiactivos naturales en la serie de uranio- 238:
La velocidad de desintegración se analiza en función de su vida media. Dichas
desintegraciones son de primer orden.
Cada isótopo tiene una vida media característica. La
vida media del Sr-90, por ejemplo, es 28,8 años. Si se
tienen 10 g de Sr-90, luego de 115,2 años quedarán
sin desintegrar 0,625 g; para ello deben haber
transcurrido cuatro vidas medias. La ecuación de
desintegración del Sr-90 es:
Figura: Representación gráfica del decaimiento radiactivo
3
Aplicaciones de los isótopos radiactivos
Los isótopos estables y radiactivos tienen varias aplicaciones en la ciencia y en la
medicina. En química se utilizan para determinar estructuras de compuestos, seguir el
curso de una reacción química (determinación de los pasos que se realizan en la
fotosíntesis), determinar la edad de ciertos objetos (mediante la técnica del carbono14 se logró determinar que los papiros del Mar Muerto tienen aproximadamente entre
1917 y 2000 años), etc. En medicina se usan, por ejemplo, en el sodio-24, que
inyectado al torrente sanguíneo como una solución salina puede ser monitoreado para
rastrear el flujo de sangre y detectar posibles constricciones u obstrucciones en el
sistema circulatorio. El yodo-131 se ha utilizado para probar la actividad de la glándula
tiroides; otro isótopo, el yodo-132, se usa para producir imágenes del cerebro; el
cobalto-60, para la destrucción de tumores cancerosos; el arsénico-74, para localizar
tumores cerebrales; el cobalto-58, para la determinación del nivel vitamínico B; el
cromo-51, para la estimación de volúmenes de líquidos del cuerpo; el fósforo-32, para
la detección de cáncer en la piel; el hierro-59, para calcular la rapidez de formación de
glóbulos rojos y el oro-198, para el cáncer de próstata.
Fechado radiactivo
Sumado a todo esto, se puede determinar la antigüedad de objetos que en alguna
época fueron o formaron parte de organismos vivos, como pueden ser los huesos,
utilizando la vida media del isótopo radiactivo carbono-14. En la materia viva, la
relación entre el carbono-14 y el carbono-12 (no radiactivo) permanece relativamente
constante. El carbono-14 que hay en nuestra atmósfera se origina por la reacción entre
un átomo de nitrógeno y un neutrón que proviene de la atmósfera superior, como lo
indica la siguiente reacción nuclear:
El carbono-14 se desintegra y forma una partícula beta, de acuerdo con la siguiente
ecuación nuclear:
Se considera que la relación entre el carbono-14 y el carbono-12 en el tejido vivo es
constante durante milenios. Cuando el tejido de una planta o un animal muere, el
contenido de carbono-14 disminuye porque ya no se le ingiere ni utiliza. Por tanto, en
el tejido muerto la relación del carbono-14 y el carbono-12 disminuye con el tiempo,
siendo así la relación una medida de la edad de la muestra.
De la misma manera, se utiliza la vida media del uranio-238 para determinar la edad
de diferentes objetos no vivos, como por ejemplo las rocas. En estos cálculos se
emplea la relación del uranio-238 radiactivo con el plomo-206 no radiactivo, con una
vida media de 4,5 x 109 años. De acuerdo con los resultados de la aplicación de este
método, la edad de las rocas más antiguas sobre la Tierra parece ser cercana a 4 x
109 años.
Reacciones nucleares artificiales
Fue Ernest Rutherford quien realizó la primera reacción nuclear artificial, en 1919.
Mediante el bombardeo de partículas alfa sobre una muestra de nitrógeno, Rutherford
detectó un protón aislado; la explicación fue que la energía cinética de la partícula alfa
le permite chocar con un núcleo de nitrógeno y fusionarse con él. Así, se forma un
núcleo
inestable
de
flúor,
que
decae
y
elimina
un
protón:
7N14
+ 2He4
====>
(9F18)
====> 8O17 + 1H1
Si se sustituye el nitrógeno-14 por el berilio-9, en la reacción nuclear se obtiene
carbono-12 y un neutrón, tal como lo indica la siguiente ecuación:
4Be9
+ 2He4
====>
(6C13)
====> 6C12 + 0n1
Esta es la reacción que le permitió a James Chadwick comprobar la existencia del
neutrón.
.
Figura 5. Tipos de reacciones nucleares
4
Reacciones de fisión nuclear
En la fisión nuclear, un núcleo de número másico mayor que 200, al chocar con un
neutrón, se divide para formar núcleos más pequeños de masa intermedia y uno o más
neutrones. Ya que los núcleos pesados son menos estables que sus productos, este
proceso
libera
una
gran
cantidad
de
energía.
La primera reacción de fisión nuclear estudiada fue la del
uranio-235 bombardeado con neutrones lentos, cuya
velocidad es comparable a la de las moléculas de aire a
temperatura ambiente. Como producto de tal bombardeo,
se han encontrado más de 30 elementos distintos.
Aunque se puede provocar la fisión de muchos núcleos
pesados, únicamente la del uranio-235 es de ocurrencia
natural. La del plutonio-239 es artificial y tiene poca
importancia práctica.
Figura 6. Esquema de reacciones de fisión
La característica más relevante en la fisión del uranio-235 no es solo la enorme
cantidad de energía liberada, sino el hecho de que se producen más neutrones que los
capturados originalmente en el proceso. Esta propiedad hace posible una reacción
nuclear en cadena, que es una secuencia de reacciones de fisión nuclear auto
sostenidas.
Los neutrones generados durante los procesos iniciales pueden inducir la fisión en
otros núcleos de uranio-235, que a su vez producirán más neutrones, y así
sucesivamente. En menos de un segundo, la reacción puede ser incontrolable, pues
libera
mucho
calor
hacia
los
alrededores.
La reacción de fisión es el principio de la primera bomba atómica, manifestación
explosiva que mata por el calor generado y por la radiación esparcida en una amplia
zona. Afortunadamente, la reacción en cadena ha podido controlarse y ser
aprovechada. Un reactor nuclear puede aprovechar la energía liberada durante la fisión
y transformarla, por ejemplo, en electricidad.
Existen factores económicos y tecnológicos a favor y en contra de la
nucleoelectricidad.
Algunos
argumentos
en
contra
son:
El
uranio
natural
contiene
un
bajo
porcentaje
de
uranio
-235 y es necesario construir plantas de enriquecimiento de este isótopo.
El
mayor
porcentaje
en
el
uranio
natural
es
el
isótopo
uranio
-238, que absorbe fácilmente neutrones y produce plutonio (elemento que se utiliza en
la
fabricación
de
bombas
atómicas).
- Los núcleos productos de la fisión del uranio son sumamente radiactivos, en especial
el
kriptón-85.
- Debido a la cantidad de energía que se desprende en una reacción nuclear y al poder
de penetración de algunas partículas nucleares, el manejo de los reactores nucleares
no es totalmente seguro.
Fusión nuclear
A diferencia del proceso de fisión nuclear, la fusión nuclear es la combinación de
pequeños
núcleos
para
formar
otros
mayores.
En los elementos livianos, la estabilidad nuclear se incrementa cuando aumenta el
número másico. Esto sugiere que si dos núcleos ligeros se combinan o se fusionan para
formar uno mayor (un núcleo más estable), se liberará una cantidad apreciable de
energía
en
el
proceso.
La fusión nuclear ocurre constantemente en el Sol, que está constituido en su mayor
parte por hidrógeno y helio. En él la temperatura es cercana a 15 millones de grados
Celsius y las reacciones que allí ocurren se denominan termonucleares. La fusión
nuclear
tiene
sus
ventajas
por
sobre
la
fisión
nuclear:
-
Los
combustibles
son
baratos
y
casi
inagotables.
- El proceso produce poco desperdicio (pero sí algo de contaminación térmica).
- Son procesos seguros en su ejecución, y si se apagase una máquina de fusión
nuclear, se apagaría completa e instantáneamente y no existiría posibilidad de que se
fundiese.
El problema es que aún no se ha construido un reactor de fusión nuclear, debido a
que hay que mantener los núcleos juntos a una temperatura apropiada para que
ocurra la fusión. A temperaturas de unos 100 millones de grados Celsius, las moléculas
no pueden existir y todos o la mayor parte de los átomos son despojados de sus
electrones. Este estado de la materia, en el que un gas consta de iones positivos y
electrones, se denomina plasma.
.
5
Figura 7. Ejemplo de reacciones de fusión nuclear
Consulta las siguientes páginas:
http://www.educarchile.cl/portal.base/web/vercontenido.aspx?id=136399
Animación: poder de penetración de las partículas:
http://www.educarchile.cl/Userfiles/P0001/File/quimica_particulas_nucleares.swf
Juego el ahorcado, part. Nucleares:
http://www.educarchile.cl/UserFiles/P0001/Media/JuegosBID/Ahorcado216/index.html
Cuestiones, applets, …
http://iesfgcza.educa.aragon.es/depart/fisicaquimica/fisicasegundo/fimode.htm
Videos:
Desintegración nuclear
http://www.youtube.com/watch?v=lLMdGWGora8
Las estrellas, energía nuclear
http://www.youtube.com/watch?v=C7IBBN9lkKw
Fusión y fisión nuclear
http://www.youtube.com/watch?v=kFopisjCCXY
Diapositivas digitales
http://www.slideshare.net/ymilacha/s14c2
A raíz del anuncio del primer ensayo nuclear realizado por Corea del Norte, es
prudente ver el documental Trinity and Beyond que analiza las más importantes
detonaciones atómicas realizadas desde 1945, presentando en muchas ocasiones
imágenes inéditas y realmente “espectaculares”: desde la primera explosión
submarina hasta la mayor detonación de la historia.
Se puede ver en: http://www.youtube.com/watch?v=fFr7TdHK0xQ
1.
Qué le pasa a un átomo de un elemento radiactivo cuando emite una partícula
alfa? Razona la respuesta.
2.
Qué le pasa a un átomo de un elemento si su núcleo captura un neutrón?
Razona la respuesta.
3.
Los neutrones son proyectiles muy adecuados para producir transmutaciones
nucleares. Explica el por qué.
4.
Considera la reacción nuclear siguiente:
+ 2H  3He +  (radiación gamma)
Indica, razonándolo, si la masa del núcleo de helio formado es mayor, menor o al
igual que la suma de las masas de los isótopos iniciales.
1H
5.
Como podemos explicar que los electrones y los positrones puedan ser emitidos
del núcleo de un átomo aunque no estén dentro?
6.
En que se transforma un átomo si pierde un electrón de su corteza? Si el núcleo
de un átomo emite un electrón, en que se transforma? Razona las respuestas.
9.
Completa las reacciones nucleares siguientes:
Be +
a.
9
b.
128
129
d.
35
e.
208
f.
Y 128Xe + ....... + 
Ba
c.
He12C + ....... + 
4
129Cs + ....... + 

Cl + 1n 36S + ....... + 
Po 204Pb + ....... + 
....... +
Rn
222
226Ra + 
6
10. Complete y balancee las ecuaciones nucleares siguientes:
a)
S +
32
b)
c)
U +
Mo +
e)
14
f)
18
H +
11.
12.
3
2
135
H 
4
i)
195
Bi

K
At
214
He +
F
β
-
63
Cu
+ ........
...........
........ + β


...........
19
Au __c.e.
38
n + .........
C
......... ( α , β )
214
1
11
O ( n , ..... )
h)
Xe + 2
n + ...........
1
He 
N(p,α)
g)
k)
1
98
2
p + ........
1

n 
235
d)
j)
n
1
+
.......... +
4
He
El isótopo estable del sodio es
del 22Na y del 24Na? Razónalo.
23
Na. Qué tipo de radiactividad es lógico esperar
- y +
Resultado:
Un isótopo radiactivo artificial tiene un tiempo de semidesintegración de 10 días.
Si se tiene una muestra de 25 mg de este isótopo,
a. Qué cantidad se tenía hace ahora un mes?
b. Qué cantidad se tendrá dentro de un mes?
Resultado: 200 mg
3,13 mg
13.
El 222Rn tiene un periodo de semidesintegración de 3,9 días. Si se dispone
inicialmente de una muestra de 10 mg, cuando queda de este isótopo después de
7,8 días?
Resultado: 2,5 mg
14.
Suponiendo que la pérdida de masa cuando estalla una bomba de fisión de
plutonio es acerca del 0,05 %, calcula:
a. La energía desprendida cuando estalla una bomba que contiene 100 kg de
plutonio.
b. Qué masa de carbón, que tuviese un poder calorífico de 32 kJ/kg, tendría que
quemar
para
obtener
la
misma
energía?
Resultado: 4,5.109 MJ
1,4.1011 kg
15. El periodo de semidesintegración del radio es de 1.620 años. Calcula el número
de desintegraciones por segundo de 1 g de radio y demuestra que esta velocidad de
desintegración es aproximadamente 1 Ci.
Resultado:
3,7219.1010átomos/s
16.
La velocidad de recuento en una muestra radiactiva es de 8.000 cuentas/s en el
instante t = 0 s. Al cabo de 10 minutos se detectan sólo 1.000 cuentas/s.
a. Cuál es el periodo de semidesintegración?
b. Cuál es la constante de desintegración?
c. Qué velocidad de recuento se detectará después de un minuto?
Resultado: 200 s
3,46.10-3 s-1
6.498 cuentas/s
17.
Sabemos que el periodo de semidesintegración del 14C es de 5.730 años y un
gramo de carbono actual tiene una actividad de 920 desintegracions por hora. Una
muestra de madera contiene 10 g de carbono y tiene una velocidad de
desintegración del carbono 14 de 100 cuentas/min. Cuál es la edad de la muestra?
Resultado:
3.350 años
18. Se supone que la edad de un hueso que contiene 15 g de carbono es de 10.000 años. Cuál
tendría que ser la velocidad de desintegración del 14C de este hueso?
Nota: Sabemos que la proporción del isótopo 14 del carbono en una muestra de carbono
natural es de 1,326.10-12 y que su tiempo de semidesintegración es de 5.730 años.
Resultado:
4.144 desintegraciones/h
7
19.
La masa atómica del torio Th es 232 y su número atómico es 90. Cuando éste se
desintegra emite 6 partículas alfa y 4 partículas beta. Encuentra:
a. La masa atómica y el número atómico del núcleo final de la desintegración del
torio.
b. Identifica el isótopo final de esta desintegración.
Resultado:
20.
208 y 82
208
Pb
Por desintegración radiactiva el 239Np emite una partícula beta. El núcleo hijo
también es radiactivo y da lugar a 235U.
a. Qué partícula se emite simultáneamente a la formación de 235U?
b. Qué núcleo se ha formado en el proceso intermedio?
Resultado:
Partícula alfa
239
Pu
21.
Cuando se bombardea con partículas alfa el carbono 12 se produce una
desintegración con la emisión de un neutrón. El núcleo formado es inestable y se
desintegra emitiendo un positrón. Cuál es el núcleo final de esta reacción, así
como su número y masa atómica?
Resultado: 16N
22.
Si bombardeamos con neutrones el flúor 19 se forma un nuevo elemento con
emisión de una partícula alfa.
a. Cuál es este nuevo elemento?
b. Cuál es su masa atómica?
Resultado:
Nitrógeno
16
23. Se encontró que una muestra de 90 Y tenía una actividad de 9,8 x 10 5 des / min
a la 1,00 p.m. del 3 / 12 / 02. Su actividad se determina de nuevo y se encontró que
era
2,6 x 10 4 des / min el 17 / 12 / 02 a la 2,15 p.m.. Calcule t 1/2 del 90 Y.
24. Se determina que un manto de tela posee una actividad de C de 8,9 des/min por
gramo de carbono, en comparación con los organismos vivos que sufren 15,2 des/min
por gramo de carbono. Teniendo en cuenta t 1/2 de la desintegración del carbono 14
es 5,73 x 10 3 años, calcule la antigüedad del manto.
238
25. Para el proceso
U 206Pb
el valor de t 1/2 es 4,5 x 109 años. Una
muestra de mineral contiene 50,0 mg de uranio 238 y 14,0 mg de plomo 206. ¿Cuál es
la antigüedad del mineral?
26. La energía de desintegración es de 7,03 MeV para la emisión β de
del núclido producido es 19,99244 u, ¿cuál es la masa del 20F?
F. La masa
20
27. La energía liberada por la desintegración del 27Si por emisión β + es 3,80 MeV.
El núclido obtenido tiene una masa de 26,98154 u, ¿cuál es la masa del 27Si?
28. ¿Cuánto tiempo se requiere para que una muestra de 1,85 g de cromo-51 se
desintegre a 0,75 g si tiene t 1/2 de 27,8 días.
29. El cobalto-60 posee un t 1/2 de 5,26 años. El cobalto-60 de una unidad de terapia
por radiación se debe reemplazar cuando su radiactividad decae al 75% de la muestra
original. Si la muestra original fue adquirida en agosto de 2001 , ¿cuándo será
necesario reemplazar el cobalto-60.?
Constante radiactiva (): mide el nº de desintegraciones por unidad de tiempo, para
cada isótopo radiactivo.
Número de núcleos de una muestra radiactiva sin desintegrar (N).
Actividad radiactiva (A): mide la velocidad de desintegración de una muestra
radiactiva. A = N · C
Número inicial de átomos (A0): se calcula por A0 = N0 · 
Ley de desintegración radiactiva:
1. En función de núcleos: N = N0 · e -t
2. En función de la masa: m = m0 · e -t
3. En función de la actividad: A = A0 · e -t
Periodo de semidesintegración (T): tiempo para que se desintegre la mitad de los
núcleos. T = ln2/ = 0,693/
t = ln (N/N0)/-0,693 · t1/2
N = N0 · 2
–t/T
1/2