Fenómenos nucleares.

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Guía N°3, Electivo.
Fenómenos nucleares.

Descubrimiento de la radiactividad.
La radioactividad fue descubierta, en 1896, por Henry
Becquerel, quien observó que el mineral de uranio llamado
pechblenda (U3O8), con el cual trabajaba, emitía una
fosforescencia sin que hubiese sido expuesto a la luz
previamente. Intercalando placas de plomo cada vez más
gruesas entre el mineral y una placa fotográfica, pudo llegar
a determinar que el uranio emitía una cierta radiación capaz
de velar esas placas. Posteriormente, Marie Curie descubrió
dos nuevos elementos: el polonio y el radio, que cumplían
con las mismas características pero cuya intensidad de
radiación era aún mayor.
Marie Curie química Polaca
Francesa
Premio Nobel Física y Química
Estabilidad nuclear.
La mayoría de los núcleos presentes en la naturaleza son estables. En cambio, hay
algunos núcleos que son inestables y emiten espontáneamente ciertas partículas y radiación
electromagnética. Este proceso se conoce como desintegración radiactiva de una sustancia
inestable y radiactiva.
Según estudios realizados por Ernest Rutherford, a principios del siglo XX, las emisiones
más comunes que se presentan en la desintegración radiactiva son las radiaciones alfa (α),
beta (β) y gamma (γ). Esta desintegración da lugar a una serie de decaimiento reactivo, que
es una secuencia de reacciones nucleares que da como resultado final la formación de un
isótopo estable. Las propiedades de las partículas se dan en la tabla adjunta.
Partícula
α
β
γ
Carga
2
-1
Naturaleza
Núcleos Helio
Electrones
Velocidad
1/10 de la luz
Cercana a Velocidad de la luz
0
Fotones de Alta
energía
Velocidad de la luz
Penetración tejidos[cm]
0.01
1
100
-Hoja de Papel
No
Si
Si
-Lamina Aluminio
No
No
Si
-Lamina de Plomo
No
No
No
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Si la emisión radioactiva se somete a campos eléctricos o magnéticos, experimenta diferentes
comportamientos dependiendo de cual sea el tipo de radiación.
Los rayos alfa, se desvían hacia la placa negativa, porque poseen carga positiva.
Los rayos beta, se desvían hacia la placa positiva, por lo tanto tienen carga eléctrica negativa.
Los rayos gama no experimentan desviación, por lo que no poseen carga eléctrica .
La imagen muestra el efecto de la radiación en un campo magnético.
Partículas radiactivas.

Partículas alfa (α):
Consiste en una corriente de partículas cargadas positivamente y que llevan una carga
2+ y una masa de 4 en la escara de pesos atómicos; son núcleos de Helio (
). Presenta una
penetración en los tejidos de 0,01 cm. Pueden ser detenidos por una hoja de papel.

Partículas Beta (β):
Está constituido por una corriente de partículas cargadas negativamente que tiene todas
las propiedades de los electrones de alta energía ( ). Penetración hasta 1 cm. Atraviesan
una hoja de papel, pero pueden ser detenidas por una lámina de aluminio de 1 cm de espesor.
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
Partículas Gamma (γ):
Es radiación electromagnética de muy alta energía (longitud de onda de 0,005 a 1 A°).
Como se trata de energía no posee carga ni masa. Penetración hasta de 100 cm o pasar a
través del cuerpo. Pueden pasar a través del papel y del aluminio, pero pueden ser detenidos
por una lámina de plomo de 5 cm de espesor.
Reacciones nucleares.
Los procesos nucleares estudian los cambios que se producen en el núcleo de los
átomos, compuesto por protones y neutrones.
Los núcleos atómicos estables no experimentan cambios en forma espontánea, pero
aquellos que son inestables se descomponen ya sea por bombardeo del núcleo con partículas
de alta energía o espontáneamente liberando distintos tipos de radiaciones, comúnmente
partículas alfa, beta o gamma.
De todos los tipos de reacciones nucleares conocidas, dos de ellas tienen especial
importancia: las que dan origen a elementos radioactivos (radioactividad artificial) y las que
promueven la escisión o fisión de un núcleo.
Las transformaciones nucleares están representadas por ecuaciones nucleares, que como
todas, deben balancearse, es decir, que el número total de protones y neutrones debe ser el
mismo en cada lado de la ecuación.

 Reacciones de fisión:
Una fisión nuclear involucra la partición de un núcleo inestable en dos partículas más
pequeñas. La fisión nuclear generalmente se inicia por el ataque de neutrones de alta energía.
Los dos neutrones de alta energía producidos pueden atacar dos nuevos átomos y liberar
cuatro neutrones. La sucesión de estas reacciones produce un efecto exponencial denominado
reacción en cadena.

Reacciones de fusión:
Una fusión nuclear involucra la unión de dos núcleos para
formar un núcleo más pesado. En una reacción química los
átomos se conservan, es decir, no se destruyen ni se
desintegran, sino que se reorganizan para formar nuevas
estructuras y nuevos enlaces. Esto ocurre a nivel de los
electrones de valencia y no a nivel nuclear. Sin embargo,
esto no ocurre en las reacciones nucleares, donde hay
destrucción y desintegración.
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Transmutación nuclear.
La transmutación consiste en modificar el núcleo atómico al ser bombardeado con
neutrón u otro núcleo.
Ernest Rutherford realizó en 1919 la primera transmutación, al bombardear núcleos de
nitrógeno con partículas α
Balance de ecuaciones nucleares.
La escritura de una ecuación nuclear es, en cierta forma, distinta a la escritura de las
ecuaciones de las reacciones químicas.
Esto porque además de escribir los símbolos de los distintos elementos químicos,
también se debe indicar el número atómico y el número másico de cada especie. Por otra
parte, en una reacción química los átomos se conservan, es decir, no se destruyen ni se
desintegran, sino que se reorganizan para formar nuevas estructuras y nuevos enlaces. Esto
último ocurre a nivel de los electrones de valencia y no a nivel nuclear, donde se producen
desintegraciones con cambios en el número de partículas atómicas.
En consecuencia, la ecuación de una reacción nuclear incluye las partículas emitidas y
deben balancearse tanto los números de masa como los números atómicos.
La notación utilizada, que es la estándar, indica que el subíndice corresponde al número
atómico y el superíndice al número másico. Al balancear cualquier ecuación nuclear se debe
cumplir con dos reglas:
1. La suma de los números de masa debe ser la misma a ambos lados.
2. La suma de los números atómicos debe ser la misma a ambos lados.

Vida Media.
La vida media de un isótopo radiactivo es el tiempo que tarda una muestra del elemento
en reducirse a la mitad de su cantidad inicial. Vale decir, transcurrido un tiempo de vida
media, se ha desintegrado la mitad de la muestra. Si el núcleo radiactivo presenta un tiempo
de vida media de 10 años significa que al cabo de ese tiempo queda la mitad de la masa
inicial.
Cada núcleo radiactivo tiene una vida media característica, que corresponde al período
específico de tiempo en que una masa determinada de un isótopo se reduce a la mitad, que
para el carbono 14 es de 5700 años. Otros núcleos tienen vidas medias muy diferentes, por
ejemplo, el uranio-238 tiene una vida media de 4,5x109 años, en cambio el yodo-139 tiene
una vida media de sólo 2,3 segundos.
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Datación con carbono 14.
Muchos otros núcleos de átomos inestables, se descompone, ya sea por bombardeo del
núcleo con partículas de alta energía o en forma espontánea (desintegración radiactiva). La
radiactividad puede presentarse en sustancias al estado natural; por ejemplo, en las plantas,
las que incorporan carbono a sus tejidos a través del CO2 del aire, transformándolo en
carbohidratos por la fotosíntesis. El carbono incorporado presenta sólo trazas de C, el que
continuamente se va desintegrando, por emisión de una partícula beta, y renovando por el
proceso indicado. Cuando la planta muere, el C deja de renovarse y sólo experimenta la
desintegración radiactiva, disminuyendo su masa paulatinamente.
Aplicación de la energía nuclear.
La posibilidad de realizar transmutación ha permitido la obtención de isótopos radiactivos
en los laboratorios destinados principalmente a la medicina y la industria. Estos radioisótopos
pueden ser usados en la esterilización de alimentos, también pueden ser usados en la
destrucción de células y tejidos cancerígenos, etc.
Cuando se produce la fisión del átomo de uranio, se libera gran cantidad de energía y se
produce una reacción autosostenible. Al lograr controlar la reacción en cadena, se controla
también la energía que libera. Los reactores nucleares tiene la función de controlar la energía
que se libera en una fisión nuclear.
El calor liberado de la fisión se transmite a través de un intercambiador calórico a un
sistema que libera vapor, el cual hace funcionar las turbinas que posteriormente generarán la
energía eléctrica.
Ejercicios.
1. En la siguiente reacción nuclear
, X representa a
A) P
B) Si
C) Na
D) Al
E) Ne
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2. Un isótopo de un elemento determinado tiene una vida media de 500 años.
Considerando una muestra inicial de 1,0 [g] de este isótopo, ¿qué cantidad
permanece sin desintegrarse al cabo de 1500 años?
A) 0,500
B) 0,250
C) 0,125
D) 0,062
E) 0,031
[g]
[g]
[g]
[g]
[g]
3. ¿Qué opción ordena las emisiones radiactivas α, β y γ, según su poder de
penetración en un sólido?
A) γ
B) γ
C) α
D) β
E) β
<
<
<
<
<
α
β
β
γ
α
<
<
<
<
<
β
α
γ
α
γ
4. ¿Cuál(es) de las siguientes reacciones nucleares está(n) correctamente
balanceada(s)?
I.
II.
III.
A) Sólo I
B) Sólo II
C) Sólo III
D) Sólo I y III
E) I, II y III.
5. En la siguiente serie de reacciones nucleares:
el número atómico de X y el número másico de Y son, respectivamente,
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A) 90 y 239
B) 91 y 235
C) 94 y 231
D) 231 y 94
E) 239 y 90
6. Una solución salina, que contiene 24Na radiactivo (vida media de 14,8
horas), se inyecta al torrente sanguíneo para detectar posibles obstrucciones
en el sistema circulatorio.
¿En cuántas horas se desintegra el 75% del 24Na presente en al solución
salina utilizada?
A) 3,0 •14,8 h
B) 2,0 •14,8 h
C) 1,0 •14,8 h
D) 0,75•14,8 h
E) 0,55•14,8 h
7. Un proceso de desintegración radiactivo
I.
II.
III.
Se produce por inestabilidad nuclear.
Libera sólo energía electromagnética.
Forma uno o más elementos distintos
Es (son) correctas:
A) Sólo I
B) Sólo II
C) Sólo III
D) Sólo I y III
E) I, II y III.
8. El siguiente proceso
I.
II.
III.
corresponde a una:
fusión de isótopos.
fisión de isótopos.
reacción química.
Es (son) correctas:
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A) Sólo
B) Sólo
C) Sólo
D) Sólo
E) Sólo
I
II
III
II y III
I y III.
9. La vida media del isótopo de fermio
, es de 30 minutos. Si inicialmente
se dispone de una muestra de 10 miligramos de este isótopo, después de 30
minutos la masa de
se reduce a
A) 0 miligramos
B) 2,5 miligramos
C) 3,0 miligramos
D) 5,0 miligramos
E) 10,0 miligramos
10. El isótopo radiactivo
tiene una vida media de 24,1 días y decae por
emisión de partículas beta. Si inicialmente se dispone de 3x10 23 átomos de
¿en cuántos días la muestra se reducirá a 7,5x1022 átomos de
por
decaimiento radioactivo?
A) 12,05 días
B) 24,1 días
C) 48,2 días
D) 72,3 días
E) 96,4 días
11. Una sustancia radioactiva tiene una vida media de 14,2 meses. Si
inicialmente se cuenta con 280 gramos de sustancia. ¿Qué cantidad en
gramos de esta sustancia quedará después de transcurridos 71 meses.
A) 2,18
B) 4,37
C) 8,75
D) 17,5
E) 35,0
g
g
g
g
g
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