QUÍMICA

TEMARIO CONFORME AL PROSPECTO DE LA UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

SEMANA 3

QUÍMICA NUCLEAR

1. RADIACTIVIDAD

Las reacciones químicas tradicionales ocurren como resultado de la interacción entre los electrones de valencia alrededor del núcleo del átomo. Las reacciones nucleares implican trasmutaciones de los núcleos atómicos debido a que no existe una relación ideal neutrón/protón. El descubrimiento de la radiactividad se debe al físico francés Henri Becquerel, al comprobar casualmente en 1896 como quedaba impresa una placa fotográfica en la que se habían colocado cristales de uranio y potasio, aun sin lo intervención de la luz solar. La radiactividad supone que las sustancias llamadas radiactivas emiten espontáneamente radiaciones capaces de atravesar lo materia, impresionar placas fotográficas o producir ionización o fluorescencia. Poco después del descubrimiento de Becquerel, Marie Sklodowska (Marie Curie) empezó a estudiar la radiactividad y completó en gran medida el primer trabajo sobre cambios nucleares. Curie descubrió que la radiación era proporcional a la cantidad de elementos radiactivos presentes, y propuso que la radiación era una propiedad de los átomos (al contrario a uno propiedad química de un compuesto). Marie Curie fue la primera mujer en ganar el premio Nobel y la primera persona en ganar dos (el primero, compartido con su esposo Pierre y con Becquerel por descubrir la radiactividad; y el segundo por descubrir los elementos radiactivos radio y polonio).

2. LA RADIACIÓN NUCLEAR

Los procesos nucleares naturales emiten tres clases de radiaciones principalmente:

A. PARTÍCULAS ALFA () . Son núcleos de helio, compuestos por 2 neutrones y 2 protones. Tienen carga eléctrica positiva y se desvían poco al pasar a través de un campo eléctrico o magnético, son emitidos desde el núcleo a una velocidad entre 10 000 y 30 000 km/s. Cuando un núcleoradiactivo emite una partícula alfa, su número atómico Z disminuye en 2 unidades, y su número de masa en 4 unidades.

El nuevo núcleo corresponde a otro elemento químico y el proceso se denomina transmutación.

Por ejemplo: Cuando un núcleo de uranio 238 (Z=92) emite una partícula alfa, el núcleo hijo es torio-234 (Z=90).

B. PARTÍCULAS BETA () . Son partículas de naturaleza semejante o los electrones, emitidos desde el núcleo a velocidades comprendidas entre 100 000 y 200 000 km/s, que se desvían fácilmente ante un campo eléctrico o magnético. Cuando un núcleo emite una partícula b, su número atómico aumenta en 1 unidad, pero el número de masa no varía. Así, cuando Th-234 (Z=90) emite una partícula beta, resulta Pa–234 (Z=91).

C. RAYOS GAMMA. Son fotones de gran energía. No se trata de partículas, sino de ondas electromagnéticas, como los rayos X o la luz, pero su energía es mucho mayor que esta debido a tener una longitud de onda mucho menor. Ninguna partícula es emitida durante la emisión gamma y, por consiguiente, la radiación gamma no causa en sí misma la transmutación de los átomos. Sin embargo, la radiación gamma es emitida, generalmente, durante la desintegración alfa o beta.

3. PODER DE PENETRACIÓN DE LA RADIACIÓN

Las partículas radiactivas tienen diferente poder de penetración en la materia. Así, y tomando como referencia una plancha de aluminio, tenemos:

A . PARTÍCULAS ALFA. No son capaces de atravesar la lámina de aluminio de 0,0005 cm de espesor. Son absorbidos por una hoja de papel o la piel del hombre, que no logran atravesar.

B. PARTÍCULAS BETA. No son capaces de atravesar la lámina de aluminio de 0,005 cm de espesor. Son absorbidos por el tejido muscular.

C. RAYOS GAMMA. No son capaces de atravesar la lámina de aluminio de 8 cm. de espesor. Son los más peligrosos en toda reacción nuclear.

4. LA RADIACTIVIDAD ARTIFICIAL

Uno de los experimentos que realizaron los esposos Joliot-Curie en esa época consistió en utilizar su fuente de polonio, elemento emisor de partículas alfa. Bombardearon con partículas alfa una lámina delgada de aluminio y, para determinar la interacción de estas partículas con el aluminio, midieron la forma en que variaba la intensidad de la radiación en el otro lado de lo hoja de aluminio. Su sorpresa fue grande cuando encontraron que aún después de interrumpir el bombardeo, la placa de aluminio seguía emitiendo radiación; se dieron cuenta, además, de que la intensidad de lo radiación emitida por la placa de aluminio disminuía siguiendo la ley del decaimiento radiactivo encontrada por Rutherford y Soddy, y que la vida media de este material radiactivo era muy corta. ¿Qué era lo que estaban observando? Los Joliot-Curie habían descubierto que la radiactividad se puede producir artificialmente. En realidad, en este experimento habían encontrado una pieza más del rompecabezas del panorama nuclear. Descubrieron que partiendo del aluminio, que tiene 13 protones y 14 neutrones, terminaron con fósforo-30 (15 protones y 15 neutrones). Así fue como el fenómeno misterioso, que Pierre y Marie Curie habían observado sin poderlo modificar, fue producido artificialmente por su hija y su yerno por medio de uno reacción nuclear en la que el núcleo de un átomo había interactuado con una partícula alfa. La Academia de Ciencias de Suecia dio el premio Nobel de Química a Frédéric e Irene Joliot-Curie por sus trabajos sobre la síntesis de elementos radiactivos, siendo este el tercer premio Nobel concedido a la familia.

La primera transmutación nuclear la realizó E. Rutherford, en 1919

En 1932, J. Chadwick descubrió el neutrón bombardeando núcleos de Berilio:

5. DIFERENCIA ENTRE FISIÓN Y FUSIÓN

Por la fisión nuclear, un núcleo pesado como el uranio 235, es dividido generalmente en dos núcleos más ligeros debido a la colisión de un neutrón (recordemos que un átomo se compone básicamente de electrones, protones y neutrones). Como el neutrón no tiene carga eléctrica, es absorbido por el núcleo del uranio. Al fisionarse este, libera más neutrones, que colisionan con otros átomos de uranio creando la conocida reacción en cadena, de gran poder radiactivo y energético. Esta reacción se produce o un ritmo muy acelerado en les bombas nucleares; pero es controlado para usos pacíficos. En la actualidad, se conocen dos núclidos fisionables: 235U y 239Pu.

Por el contrario, la fusión nuclear es una reacción en la que se unen dos núcleos ligeros para formar uno más pesado. Este proceso desprende energía porque la masa del núcleo pesado es menor que la suma de los pesos de los núcleos más ligeros.

Este defecto de masa se transforma en energía, se relaciona mediante la fórmula E=m · c2, aunque el defecto de masa es muy pequeño y la ganancia por átomo es muy pequeña, se ha de tener en cuenta que es una energía muy concentrada, en un gramo de materia hay millones de átomos, con lo que poca cantidad de combustible da mucha energía. No todas las reacciones de fusión producen la misma energía, depende siempre de los núcleo que se unen y de los productos de la reacción. La reacción más fácil de conseguir es la del deuterio (un protón más un neutrón) y tritio (un protón y dos neutrones) para formar helio (dos neutrones y dos protones) y un neutrón, liberando una energía de 17,6 MeV. Es una fuente de energía prácticamente inagotable, ya que el deuterio se encuentra en el agua de mar y el tritio es fácil de producir. Son ejemplos de reacciones de fusión nuclear:

TIEMPO DE VIDA MEDIA

La vida media es el tiempo que tarda en decaer la mitad del valor original de alguna cantidad de un elemento radiactivo. Esto también implica que una vida media es el tiempo que tarda la actividad de una fuente en caer a la mitad de su valor original

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