Subido por Arturo romero rubio

FBC Q U1 Teoria estructura 22 2

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Teoria Cuántica
y Estructura
Atómica
MCQ Fernando Bedolla Cazares
[email protected]
¿Qué es la Química?
Ciencia que estudia la composición y propiedades de las
sustancias y las reacciones por las que unas sustancias se
transforman en otras.
El lenguaje de la Química es un lenguaje científico universal
que se emplea ampliamente fuera de la Química.
Geologia
Astronomia
Química
Física
Farmacologia
Medicina
Biologia
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QUÍMICA ORGÁNICA E INORGÁNICA (aspectos macroscópicos)
Las propiedades observables de la materia (lo que percibimos)
-Detergentes -Productos de limpieza
-Combustión -Bioquímica
-Fertilizantes -Polímeros
-Tintes
-Revelado fotográfico
-Baterías
-Mantenimiento de piscinas
-Reactivos -Medicamentos
QUÍMICA FÍSICA (aspectos microscópicos)
La estructura atómica de la materia (organización
atómica y molecular)
-Espectros
-Radiación
-Partículas subatómicas -Orbitales
-Ecuaciones químicas -Interacciones moleculares
-Cinética
-Química teórica
Importancia de la Química
La química es una ciencia central, porque sirve de apoyo a otras ciencias como la física, la
biología, la geología, la petroquímica, etc. Además permite satisfacer las necesidades
humanas en diferentes áreas o campos de la actividad humana.
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Áreas de aplicación:
- Medicina
- Nutrición
- Agricultura
- Textiles
- Medioambiente
- Arqueología
- Astronomía
- Industria
Materia
RAE: Del Lat. Materia 1. f. Realidad espacial, y perceptible por los sentidos, de la que están
hechas las cosas que nos rodean y que, con la energía, constituye el mundo físico.
Básicamente cualquier cosa que tenga masa y ocupe espacio.
Sustancia
Cantidad de materia homogénea cuya composición es fija y químicamente
definida.
Estados de la Materia
Un sólido es una forma rígida de la materia.
• Un líquido es una forma fluida de la materia que tiene la capacidad
de adoptar la forma de la parte del recipiente que ocupa.
• Un gas es una forma fluida de la materia que llena completamente
cualquier recipiente que lo contenga.
• Un plasma es un estado fluido similar al estado gaseoso pero en el
que determinada proporción de sus partículas están cargadas
eléctricamente. Es el estado más frecuente en el Universo.
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Masa
Es la medida de la cantidad de materia que posee un cuerpo.
Peso
Es la fuerza con la que la Tierra atrae la masa, por la acción de la gravedad, hacia su centro.
El peso se determina multiplicando la masa por la aceleración de la gravedad.
Sus unidades de medida dependerán de las que posean la masa y la aceleración de la gravedad, las
cuales pueden ser: Newton (N), Dinas, Libra-fuerza, entre otros.
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La materia está formada por átomos, iguales o diferentes en cualesquiera proporciones.
• Las sustancias están formadas por átomos,iguales o diferentes, en una proporción definida.
• Los elementos son sustancias que sólo tienen un tipo de átomos. Por ahora, conocemos 118 elementos, muchos de ellos
no naturales.
• Los compuestos químicos están formados por entidades iguales de agrupaciones de átomos diferentes (moléculas
discretas o redes atómicas).
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Clasificación de la Materia
Materia
Sustancias
Puras
Mezclas
Separación
Física
Composición Fija
Composición Variable
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Elemento
iguales
Compuesto
Homogeneas
diferentes
1 fase
Separación
Química
O2, O3, N2, Plata,
Aluminio
H2O, CO2, HCl, NaCl
Café con leche
Agua con azúcar,
mayonesa, gasolina
Heterogeneas
Ensalada, sopa,
arena
2 fases
Coloides
Suspensiones
La disolución contiene sustancias químicas tal que el tamaño molecular de la partículas sea inferior a 10-9 m.
Se llama mezcla coloidal cuando el tamaño de partícula va de 1x10-9 m a 2 x10-7 m.
Se llama suspensión cuando el tamaño de las partículas es del orden de 2 x10-7 m.
Estructura del
Átomo y Teoría
Cuántica
Primera observación directa de electrones en el espacio orbital de
un átomo (la función de onda real de un átomo de H.
Para obtener esta imagen, los investigadores utilizaron
un microscopio cuántico
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Concepción del Átomo
Teoría Atomista (Siglo V a.C.)
Leucipo pensaba que sólo había un tipo de materia.
Sostenía, además, que si dividíamos la materia en partes cada vez más pequeñas, acabaríamos
encontrando una porción que no se podría seguir dividiendo.
Leucipo
Su discípulo, Demócrito, bautizó a estas partes indivisibles de materia con el nombre de átomos,
término que en griego significa “que no se puede dividir”. Para el año 400 a. de C. Demócrito y Leucipo
propusieron la primera teoría atómica llamada la "Discontinuidad de la Materia".
Demócrito
Los atomistas pensaban que:
- Todo está hecho de átomos.
- Las propiedades de la materia varían según como se agrupen los átomos.
- Los átomos no pueden verse porque son muy pequeños.
- Los átomos son eternos.
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Teoría Continuista (1500-1800)
Del año 400 a.C. hasta finales de 1500, el átomo fue olvidado.
Aristóteles había creído que toda la materia estaba hecha de 4 elementos: fuego, agua,
tierra y aire, esta teoría se llamó continuista. Como Aristóteles era un sabio, la gente
aceptaba la teoría de los cuatro elementos. Los continuistas pensaban que:
- Los átomos no existen. No hay límite para dividir la materia.
- Si las partículas, llamadas átomos, no pueden verse, entonces es que no existen.
- Todas las sustancias están formadas por las combinaciones de los 4 elementos básicos:
agua, aire, tierra y fuego.
Después de este gran descubrimiento, ocurrió un estancamiento de las investigaciones acerca de la estructura de la materia,
hasta que en el siglo XIX, se iniciaron las primeras
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Teoría de Dalton (1808)
Dalton publicó sus ideas sobre el modelo atómico de la materia las cuales han servido de base a la
química moderna.
Los principios fundamentales de esta teoría son:
1. La materia está formada por minúsculas partículas indivisibles llamadas
átomos.
2. Hay distintas clases de átomos que se distinguen por su masa y sus
propiedades. Todos los átomos de un elemento poseen las mismas propiedades
químicas.
3. Los compuestos se forman al combinarse los átomos de dos o más
elementos en proporciones fijas y sencillas. De modo que en un compuesto
los átomos de cada tipo están en una relación de números enteros o fracciones
sencillas.
4. En las reacciones químicas, los átomos se intercambian de una a otra
sustancia, pero ningún átomo de un elemento desaparece ni se transforma
en un átomo de otro elemento.
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Teoría de Thompson (1904)
El modelo de Thomson consistía en una esfera uniforme de materia cargada positivamente en
la que se hallaban incrustados los electrones de un modo parecido a como lo están las
semillas en una sandía.
Este sencillo modelo explicaba el hecho de que la materia fuese eléctricamente neutra, pues en los
átomos de Thomson la carga positiva era neutralizada por la negativa. Además los electrones
podrían ser arrancados de la esfera si la energía en juego era suficientemente importante.
Teoría de Rutherford (1911)
En 1911, Rutherford empleó las partículas alfa para determinar la estructura interna de
la
materia (experimento de la lámina de oro). A partir de ese experimento dedujo que:
La mayoría de las partículas atraviesan la lámina sin desviarse (99,9%).
*Núcleo: aquí se concentra casi la totalidad de la masa del átomo, y tiene carga positiva.
*Corteza: está formada por los electrones, que giran alrededor del núcleo describiendo
órbitas circulares
Así mismo, también dijo que la materia es neutra, ya que la carga positiva del núcleo y
la negativa de la corteza se neutralizan entre sí.
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Rutherford dedujo que:
- La materia está casi vacía; el núcleo es 100.000 veces más pequeño que el radio del átomo.
- La mayoría de las partículas alfa no se desvían porque pasan por la corteza, y no por el
núcleo.
- Las que pasan cerca del núcleo se desvían porque son repelidas.
Teoría de Bohr (1913)
Basándose en las ideas previas de Max Plank, Bohr supuso que el átomo sólo puede tener ciertos
niveles de energía definidos.
Bohr establece así, que los electrones sólo pueden girar en ciertas órbitas de radios determinados.
Estas órbitas son estacionarias, en ellas el electrón no emite energía: la energía cinética del electrón
equilibra exactamente la atracción electrostática entre las cargas opuestas de núcleo y electrón.
El electrón sólo puede tomar así los valores de energía correspondientes a esas órbitas. Los saltos de
los electrones desde niveles de mayor energía a otros de menor energía o viceversa suponen,
respectivamente, una emisión o una absorción de energía electromagnética (fotones de luz).
El modelo atómico de Bohr tuvo que ser abandonado al no poder explicar los espectros de átomos más
complejos. La idea de que los electrones se mueven alrededor del núcleo en órbitas definidas tuvo que
ser desechada.
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Modelo atómico Mecano-cuántico (Schrödinger y Heisenberg (1920)
Es un modelo de gran complejidad matemática. No se habla de órbitas, sino de
orbitales. Un orbital es una región del espacio en la que la probabilidad de
encontrar al electrón es máxima. Los orbitales atómicos tienen distintas formas
geométricas.
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En 1916, el físico alemán Arnold Sommerfeld modificó el modelo de Bohr en el
sentido que las órbitas permitidas para los electrones debían ser elípticas más que
circulares.
Estructura del átomo
Partícula
Masa (kg)
Carga (C)
Carga unitaria
Electrón
9.10939 x 10-28
-1.6022 x 10-19
-1
Protón
1.67262 x 10-24
+1.6022 x 10-19
+1
1.67493 x 10-24
0
0
Neutrón
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Principio de incertidumbre de Heisenberg
Formulado por el físico alemán Werner Heisenberg en 1927, y que afirma que
no es posible especificar con exactitud simultáneamente la posición y el
momento lineal de una partícula subatómica.
En otras palabras, cuanta mayor certeza se busca en determinar la posición
de una partícula, menos se conoce su cantidad de movimiento lineal.
Propiedades
de la Radiación
Electromagnética
La radiación solar es la energía emitida por el Sol, que se propaga en todas las
direcciones a través del espacio mediante ondas electromagnéticas.
Medir la radiación solar es importante para un amplio rango de
aplicaciones, en las áreas de ingeniería, arquitectura, agricultura,
ganadería, salud humana y meteorología,
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La radiación electromagnética (REM) no necesita un medio para su propagación por lo que se propaga
fácilmente en el vacío.
La REM se propaga como un flujo de partículas discretas,
o paquetes ondulatorios, de energía denominados
fotones, la energía de un fotón es proporcional a la
frecuencia de la radiación.
Longitud de onda (l): es la distancia lineal entre dos
puntos equivalentes de ondas sucesivas.
Frecuencia (n): es el número de oscilaciones del campo por segundo es igual a P-1 (P = Periodo en segundos); la
frecuencia depende de la fuente y permanece invariable.
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Teoría Cuántica
Es una teoría física que describe las propiedades dinámicas
de las partículas subatómicas y las interacciones entre la
materia y la radiación.
Las bases de la teoría fueron sentadas por el físico alemán
Max Planck, que en 1900 postuló que la materia sólo puede
absorber o emitir energía en pequeñas unidades discretas
llamadas cuantos.
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Planck logro establecer que la energía de estos fotones es directamente proporcional a la
frecuencia de la radiación que los emite, estableciendo así la formula que decía que la energía
(E) es igual a la constante de Planck (h) por la frecuencia de la radiación (n).
𝐸 =ℎ𝑣
Por último, dio el valor para dicha constante que
quedo establecido con el siguiente valor:
ℎ = 6.63𝑥10!"# 𝐽. 𝑠
La dualidad onda-partícula, resolvió una aparente paradoja, demostrando que la luz y la materia
pueden, a la vez, poseer propiedades de partícula y propiedades ondulatorias.
Esta dualidad onda-partícula se aplica a los haces de electrones,
protones, de otras partículas elementales.
El campo eléctrico es el responsable de la mayoría de los
fenómenos como: la transmisión, la refracción, la reflexión, y
la absorción.
Cuando un haz de luz choca con una partícula en suspensión parte de la luz se dispersa, parte de la luz se refleja y parte
de la luz se absorbe.
La dispersión de la luz depende de: la longitud de onda de la luz (λ), del tamaño de la partícula y del índice de refracción
de la partícula en relación con el medio que la rodea.
Espectros de Emisión y Series Espectrales
Al hacer incidir un haz (de luz) con una l determinada los electrones de los
átomos pueden saltar a niveles superiores de energía.
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Entonces, cuando uno de estos electrones vuelve al nivel inferior,
emite un fotón en una de las frecuencias especiales de ese
elemento (fluorescencia) y a eso es lo que se llama espectro de
emisión.
Los elementos químicos en estado gaseoso y sometidos a temperaturas
elevadas producen espectros discontinuos en los que se aprecia un
conjunto de líneas que corresponden onda.
T3: ¿Qué fenómenos ópticos de la radiación luminosa son utilizados en el área del
análisis químico?
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Orbitales
Atómicos y
Configuración
Electrónica
En 1927 pudo comprobarse experimentalmente la hipótesis de De Broglie al
observarse un comportamiento ondulatorio de los electrones en los
fenómenos de difracción.
Elorbital atómico es una zona del espacio donde existe una alta probabilidad
(superior al 90%) de encontrar al electrón. Esto supone considerar al electrón
como una nube difusa de carga alrededor del núcleo con mayor densidad en las
zonas donde la probabilidad de que se encuentre dicho electrón es mayor.
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Distribución Electrónica en Sistemas Polielectrónicos
La configuración electrónica de un átomo es la distribución de los electrones en los subniveles de energía del átomo.
Esta configuración se obtiene escribiendo en orden ascendente de energía
los símbolos de los subniveles ocupados indicando el número de electrones
que contiene.
El número de electrones que ocupan los subniveles de un átomo neutral
debe ser igual al número atómico del elemento.
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Principio de Aufbau o de Construcción
Este principio enuncia que: Los electrones pasan a ocupar los
orbitales de menor energía, y progresivamente se van llenando los
orbitales de mayor energía.
Se comienza con el orbital de menor energía.
Primero debe llenarse el orbital 1s (hasta un máximo de dos
electrones).
Configuración electrónica de los elementos y su ubicación en la clasificación periódica
La configuración electrónica (o periódica) es la descripción de la ubicación de los electrones
en los distintos niveles (con subniveles y orbitales) de un determinado átomo.
Configuración estándar
Se representa la configuración electrónica que se obtiene usando la regla de las diagonales.
Aplicando la regla de las diagonales, la configuración electrónica para cualquier átomo, quedara como la siguiente
representación dependiendo del elemento y su numero atomico.
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Configuración condensada o Kernell
Los niveles que aparecen llenos en la configuración estándar se pueden representar con un gas noble, donde el número
atómico del gas coincide con el número de electrones que llenaron el último nivel.
Los gases nobles son He, Ne, Ar, Kr, Xe y Rn.
Configuración kernell del carbono:
47Ag
= 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d9
6C
= 1s22s22p4
36Kr
= 1s22s22p63s23p64s23d104p6
2He
=1s2
47Ag
= [36Kr] 5s24d9
6C
= [2He] 2s22p4
Configuración desarrollada
Consiste en representar todos los electrones de un átomo empleando
flechas para simbolizar el spin de cada uno.
El llenado se realiza respetando el principio de exclusión de Pauli y la Regla
de máxima multiplicidad de Hund.
1 10
47Ag = [36Kr] 5s 4d
Anomalía en configuración electrónica
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Con las configuraciones electrónicas se identifican los bloques en
la tabla periódica.
Según el «último nivel electrónico ocupado» la tabla periódica se
divide en bloques : bloque s, bloque p, bloque d y bloque f
Números cuánticos y Orbitales Atómicos
Las expresiones matemáticas de la mecánica ondulatoria indican que el estado de energía de un electrón en un átomo se puede
describir por medio de un set de cuatro números cuánticos.
Estos números describen el orbital espacial en el que el electrón se mueve en términos de:
*Su posición con respecto al núcleo,
*Su forma,
*Su orientación espacial y
*La dirección del spin
(giro alrededor del propio eje) del
electrón en el orbital.
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Número cuántico principal (n)
Indica la distancia promedio del electrón desde el núcleo. Con valores 1, 2, 3, 4,...... y es la designación del nivel de
energía principal de un orbital.
El primer nivel de energía es más cercano al núcleo y los otros se encuentran a
distancias crecientes. Los electrones del primer nivel de energía tienen las energías
más bajas, mientras que los de los niveles más altos tienen niveles de energía
crecientes.
En algunos textos, los niveles de energía se designan
por las letras K, L, M, N, etc.
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Número cuántico secundario (l)
Indica la forma del orbital en el que se mueve el electrón. El número de posibles
formas es igual al valor del número cuántico principal n.
En el enésimo nivel de energía hay orbitales de n formas posibles. En el primer
nivel es posible un orbital de una sola forma, en el segundo dos formas, en el
tercero de tres, etc.
Para hallar el número de subniveles es un nivel,
basta hallar los valores permitidos de “l”, así:
•Si n = 1 ; l = 0 (s)
•Si n = 2 ; l = 0 (s) , 1 (p)
•Si n = 3 ; l = 0 (s) , 1 (p) , 2 (d)
•Si n = 4 ; l = 0 (s) , 1 (p) , 2 (d) , 3(f)
Si somos observadores notamos que:
•En el nivel 1 (n=1), existen 1 subnivel (s)
•En el nivel 2 (n=2), existen 2 subnivel (s, p)
•En el nivel 3 (n=3), existen 3 subnivel (s, p, d)
•En el nivel 4 (n=4), existen 4 subnivel (s, p, d, f)
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Número cuántico magnético (m)
Indica la orientación del orbital en relación a los tres ejes del espacio en un campo magnético.
Hay sólo una orientación para un orbital s, mientras que hay tres para el
orbital p, cinco para el orbital d y siete para el f.
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Número cuántico spin (s)
Indica la dirección de giro sobre su eje del electrón.
Hay dos posibilidades de spin, en la dirección de giro de los punteros del reloj o en contra.
Así, cada uno de los orbitales orientados en el espacio, descritos por los tres primeros números
cuánticos puede ser ocupado sólo por dos electrones, y éstos deben tener spin opuesto.
Como puede tener dos sentidos de giro, el número de espín puede
tener dos valores: ½ y - ½.
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Números cuánticos y Orbitales Atómicos
Determina los números cuánticos de los siguientes
elementos:
O8
n= 2
l= 1
m= -1
s= -1/2
Cl17
n= 3
l= 1
m= 0
s= -1/2
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Identifique el elemento químico cuyos átomos tienen en su nivel más externo la siguiente
configuración electrónica
Configuración externa
Z
Símbolo
1s2
2
He
Elemento
2s22p6
33
2s22p3
3s23p4
16
2s2
3s1
4s23d104p5
Sodio
Br
Determine “Z” y el símbolo químico de los elementos de las siguientes series de números cuánticos.
(CORREGIDO)
n
l
m
s
3
2
1
-1/2
2
0
0
1/2
2
0
0
-1/2
5
1
-1
-1/2
4
0
0
-1/2
5
0
0
+1/2
Z
Símbolo
Elemento
Cu
34
4
Telurio
Ca
Identifica a que elemento pertenece cada una de las siguientes configuraciones:
1. 1s2 2s2 2p1=
2. 1s2 2s2 2p4=
3. 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6=
4. 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1=
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Escribe la configuración electrónica de los siguientes elementos:
1. Galio (Z=31)
2. Niquel (Z=28)
3. Circonio (Z=40)
4. Indio (Z=49)
Aplicaciones Tecnológicas de la Emisión Electrónica de los Átomos
Un isótopo se refiere a un átomo que pertenece al mismo elemento químico que otro, tiene su mismo
número atómico, pero distinta masa atómica.
Los isótopos radioactivos se utilizan en la medicina nuclear, principalmente
en las imágenes médicas, para estudiar el modo de acción de los
medicamentos, entender el funcionamiento del cerebro, detectar una
anomalía cardiaca, descubrir las metástasis cancerosas.
Las Radiaciones y la Radioterapia
Las radiaciones ionizantes pueden destruir preferentemente las células tumorales y constituyen una terapéutica eficaz
contra el cáncer.
Las diferentes formas de radioterapia“
- La tele radioterapia, consiste en concentrar en los tumores la radiación
emitida por una fuente exterior.
- La inmunorradioterapia, utiliza vectores radio marcados cuyos isótopos
reconocen específicamente los tumores a los que se fijan para
destruirlos.
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Esterilización
La irradiación es un medio para destruir los microorganismos" hongos,
bacterias, virus. Por esta razón, existen numerosas aplicaciones para la
esterilización de los objetos, especialmente médico-quirúrgico.
Protección de obras de arte
El tratamiento mediante rayos gamma permite eliminar los hongos,
larvas, insectos o bacterias alojados en el interior de los objetos a fin de
protegerlos de la degradación. Esta técnica se utiliza en el tratamiento de
conservación y de restauración de objetos de arte, de etnología, de
arqueología.
Elaboración de materiales
La irradiación provoca, en determinadas condiciones, reacciones químicas que permiten la
elaboración de materiales más ligeros y más resistentes, como aislantes, cables eléctricos,
envolventes termo retractables, prótesis, etc.
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Detectores de incendio
Una pequeña fuente radioactiva ioniza los átomos de oxígeno y de nitrógeno contenidos en un
volumen reducido de aire. La llegada de partículas de humo modifica esta ionización. Por esta razón
se realizan y se utilizan detectores radioactivos sensibles a cantidades de humo muy pequeñas.
Pinturas luminiscentes
Se trata de las aplicaciones más antiguas de la radioactividad para la lectura de
los cuadrantes de los relojes y de los tableros de instrumentos para la
conducción de noche.
Alimentación de energía de los satélites
Las baterías eléctricas funcionan gracias a pequeñas fuentes radioactivas con plutonio
239,cobalto 60 o estroncio 90. Estas baterías se montan en los satélites para su alimentación
energética. Son de tamaño muy reducido y pueden funcionar sin ninguna operación de
mantenimiento durante años.
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Producción de electricidad
Las reacciones en cadena de fisión del uranio se utilizan en las centrales nucleares.
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Datación
Se basa en la velocidad de decaimiento del C14.
Cinética del Decaimiento Radiactivo:
Velocidad de decaimiento = KN
en el tiempo t
K = cte de velocidad de 1er orden
N= # de núcleos radiactivos presentes en el tiempo t
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