Apuntes sobre Fenómenos Nucleares

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Introducción a los Fenómenos Nucleares

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Partículas subatómicas En los modelos más actuales destacan, sobre todo, tres partículas fundamentales que conforman el átomo: protones, neutrones y electrones. Las dos primeras se encuentran en una estructura que se ubica en el centro del átomo, llamada núcleo , mientras que los últimos se encuentran rodeando al núcleo en la llamada electrosfera. Cada partícula subatómica tiene masa y carga, expresada en el Sistema Internacional (S.I) de unidades, en Kilógramos y Coulomb, como muestra la siguiente tabla. Sin embargo, como forma de simplificar la notación de dichos valores y dado que los valores de carga y masa son similares, se los representa con “1”. Partícula

Carga [C]

Masa [Kg]

Carga

Masa

Símbolo

Protón

1.6021·10-19

1.6725x10-27

1

1

1

Electrón

-1.6021·10-19

9.1091x10-31

-1

1/1840

-1

Neutrón

0

1.6748x10-27

0

1

0

p1 e0

n1

Definamos dos conceptos esenciales que caracterizan al átomo de cualquier elemento:

Número atómico (Z): Corresponde al número de protones que contiene el átomo. Si el átomo es eléctricamente neutro, el número atómico corresponderá además al número de electrones que posee el átomo. Número Másico (A): Corresponde a la cantidad de protones y neutrones que posee el átomo. Notación de Z y A Supongamos que representamos con X el símbolo de un elemento. Los valores de Z y A podemos anotarlos de las siguientes maneras:

Obj102 Obj101 Obj100

Tipos de átomos Según los valores de Z y A podemos clasificar los átomos en tres categorías:

a.- Isótopos: Corresponde a átomos que tienen igual Z, pero distinto A. Cada elemento químico en la tabla periódica presenta una cantidad variada de estos isótopos, isótopos, tanto estables como inestables. Ejemplos: 1H1, 1H2, 1H3; 6C12, 6C13, 6C14

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b.- Isóbaros: Corresponde a átomos que tienen distinto Z, pero igual A. Ejemplo: 7N14 y 6C14; 17Cl33, y 16S33 c.- Isótonos: Corresponde a átomos que presentan la misma cantidad de neutrones. Ejemplo: 5B13, y 6C13; 9F20, y 10Ne21 Además, existen otras dos clases de átomos relacionados con la pérdida o ganancia de electrones. Corr rres espo pond nde e a átom átomos os que que han han perd perdid ido o uno uno a o má máss elec electr tron ones es.. d.- Cationes Cationes: Co Presentan carga positiva. Ejemplos: Fe3+, Ca2+, Na+

e.- Aniones: Corresponde a átomos que han ganado uno o más electrones. Presentan carga negativa. Ejemplos: S2-, Cl-, BrEstos dos últimos se denominan genéricamente iones.

Determinación del Peso atómico de un elemento Es interesante notar que el número másico (A) del átomo de un elemento es un número entero positivo, mientras que el peso atómico (P.A), que corresponde a los gramos del elemento que existen en un mol del mismo, es un número fraccionario. abundancias as relativas relativas de los Esto Esto se expl explic ica a a part partir ir de las las abundanci los elem elemen ento toss en la naturaleza. Cada elemento de la tabla periódica presenta diversos isótopos, todos ellos en una proporción que refleja su presencia en la naturaleza. Por ejemplo, el magnesio (Mg) de Z = 12, se presenta en la naturaleza en tres isótopos: 24 25 y 12Mg26. Todos ellos no están en la naturaleza en la misma proporción, 12Mg , 12Mg como lo indica la siguiente tabla.

Por lo tanto, la determinación del peso atómico del magnesio, se logra a través de un promedio ponderado entre el valor del número másico de cada isótopo multiplicado

4 por su abundancia (que se expresa porcentualmente). La suma de los productos se divide luego por 100.

Obj103

Obj104

Obj105

[g/mol]

Naturaleza de las reacciones nucleares Con excepción del hidrógeno, todos los núcleos contienen dos tipos de partículas fundamentales fundamentales,, los  protones y los neutrones. Algunos Algunos núcleos núcleos son inesta inestables bles,, y espontáneamente emiten partículas y/o radiación electromagnética. A este fenómeno se le llama radiactividad . Todos los elementos que tienen número atómico mayos de 83 son radioactivos. A esto, también se le denomina radiactividad natural , dado que es un fenómeno que ocurre en forma espontánea. Existe otro tipo de radiactividad, conocida como transmutación nuclear , que se origina al bomba bombarde rdear ar el núcleo núcleo con con neutr neutron ones, es, proton protones es y otros otros núcleo núcleos s. A estos fenómenos se les suele denominar radiactividad artificial , por las características que la diferencian del otro proceso. El decaimiento radiactivo y la transmutación nuclear son reacciones nucleares, que son son muy muy dist distin inta tass de las las reac reaccio cione ness quím química icass ordin ordinari arias as.. En la sigu siguien iente te tabl tabla a se resumen las diferencias.

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Balance de las ecuaciones nucleares Con el fin de estud Con estudiar iar co con n ciert cierta a profu profund ndid idad ad,, es preci preciso so enten entende derr có cómo mo se escriben y balancean sus ecuaciones. La escritura de una ecuación nuclear es algo distinta distinta a la de las ecuacio ecuaciones nes de las reaccion reacciones es químicas químicas.. Ademá Ademáss de esc escribi ribirr los símbolos de los distintos elementos químicos, también se deben indicar, de manera clara, los protones y neutrones que hay en cada especie. Las partículas elementales se representan con los siguientes símbolos:

Obj114 Obj113 Obj112 Obj111 Obj110 Obj109 Obj108 Obj107 Obj106

o Protón neutrón

o o electrón

o positrón

partícula α

El expo expone nent nte e deno denota ta el núme número ro de ma masa sa (el (el núme número ro tota totall de neut neutro rone ness y protones) y el subíndice representa el número atómico (el número de protones). Al balancear cualquier ecuación nuclear se deben cumplir las siguientes reglas:  

El número total de protones y neutrones en los productos y reactantes debe ser el mismo (para conservar el número de masa). El número total de cargas nucleares en los productos y reactantes debe ser el mismo (para conservar el número atómico).

Ejemplo1. Balancee la ecuación y encuentre la especie faltante

Obj115

Si miramos los números que están en los exponentes o superíndices (número másico), hay a la izquierda de la ecuación, 212 y a la derecha sólo 208. Por lo tanto, para que se igualen dichas cantidades debemos agregar 4.

6 En la parte de los subíndices, hay 84 a la izquierda, mientras que hay 82 a la derecha. Para que se iguales debemos agregar 2 a la derecha. Escribámoslo Obj116

Obj117

De la lista dada más arriba, arriba, veremos veremos que correspon corresponde de a una partícula partícula alfa (α). Por lo tanto la ecuación completa y balanceada sería

Obj118

Ejemplo 2. Balancee la ecuación y determine la especie faltante

Obj119

En la parte superior de los símbolos vemos que hay 137 a ambos lados. Para que esto sea así, el superíndice de X debe ser 0. Por otra parte, en los subíndices tenemos 55 a la izquierda y 56 a la derecha. Para que se logre la igualdad, debemos sumarle -1 al 56, o sea, el subíndice de X debe ser -1. La ecuación queda Obj120

Obj122 Obj121

La partícula que presenta esa propiedades es o . Entonces, la ecuación balanceada y completa será

Obj123

Cinética de la desintegración radiactiva  Todos los procesos de desintegración radiactiva siguen cinéticas de primer orden. Por tanto, la velocidad de decaimiento radiactivo en cualquier tiempo t está dada por

Velocidad de desintegración en un tiempo t = λN

7 Donde es una constante de velocidad de primer orden y N el número de núcleos radiactivos que hay en un tiempo t . (Aquí se utiliza λ en lugar de k para la constante de velocidad según la notación utilizada por los científicos nucleares) Entonces, el número de núcleos radiactivos a tiempo cero ( N0) y tiempo t (Nt ) es

Obj124

A partir de esta relación podemos calcular el tiempo que toma tener la mitad de los núcleos originales o de otra manera, a qué tiempo, la mitad de los núcleos radiactivos habrán decaído. Esto se denomina vida media o tiempo de vida media. Esto lo podemos calcular haciendo la siguiente relación A un tiempo t½, la mitad de los núcleos radiactivos se habrán desintegrado. Por lo tanto,

Obj125

Reemplazando en la expresión anterior

Obj126

Usamos las propiedades de los logaritmos para reescribir la expresión

Obj127

El ln(1) = 0. Luego, multiplicamos la igualdad por -1.

Obj128

Despejando t½ tenemos

Obj129

Como el ln2=0.693, la expresión del tiempo de vida media de un elemento radiactivo es

8

Obj130

Principales procesos nucleares 1.- Emisión beta o electrónica Este decaimiento lo experimentan los núcleos en que la proporción de neutrones es mayor que la de protones. Ejemplo Obj131

2.- Emisión positrónica El positrón es una partícula que tiene la misma masa del electrón, pero con carga positiva. Se le conoce también como la antipartícula del electrón. Ejemplo: Obj132

3.- Captura electrónica En este proceso el núcleo absorbe un electrón extranuclear de la órbita más interna, transformando un protón en un neutrón con emisión de un neutrino. Un neutrino, v , es una partícula subatómica, neutra, de masas menores a diez mil veces la masa de los electrones. Ejemplo: Obj133

4.- Activación neutrónica Consiste en la conversión de un isótopo radiactivamediante el bombardeo de neutrones. Ejemplo: Obj134

estable

en

una

especie

9

5.- Emisión alfa La primera vez que se detectaron partículas α, fue a partir de las emisiones de mate ma teria riall de uran uranio io.. Esta Esta deter determi mina nació ción n fue fue reali realiza zada da por por el físic físico o franc francés és He Henri nri Becqu cquerel, quien ien sometió tió las emisio ision nes de urani anio a la acción ión de campos pos electromagnéticos, identificando tres tipos de emisiones. Una de ellas de naturaleza positiva, positiva, la denominó, denominó, rayos α, otra otra de natura naturaleza leza negativa negativa la denomi denominó nó rayos rayos β y la tercera de ellas que no era afectada por el campo electromagnéticos, la denominó rayos γ.

Ejemplo: Obj

Estabilidad nuclear El núcleo ocupa una porción muy pequeña del volumen total de un átomo, pero contiene la mayor parte de su masa porque allí residen los protones y los neutrones. Si supo supone nemo moss un núcl núcleo eo co con n 30 prot proton ones es y 30 neut neutro rone nes, s, éste éste tend tendrá rá un radi radio o -3 -12 -22 aproximado de 5 ·10 pm (1pm equivale a 1 · 10 m) y una masa de 1 · 10 g. Como la densidad = masa/volumen y asumiendo que el núcleo tiene una forma esférica Hacemos el cálculo

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Ésta es una densidad muy grande. La densidad más alta que se conoce para un elemento es de 22,6 g/cm3, que corresponde al Osmio (Os); así que el núcleo atómico es aproximadam aproximadamente ente ¡¡9 · 10 1012 veces (o 9 billones de veces) más denso que el elemento más denso que se conoce!! La enorme densidad del núcleo nos lleva a preguntar qué es lo que mantiene fuertemente unidas a las partículas. De acuerdo con la ley de Coulomb, las cargas iguales se repelen y las cargas opuestas se atraen, y es fácil imaginar que exista una fuerte repulsión entre los protones, sobre todo si se considera que deben estar muy  juntos. De hecho esto es lo que sucede; sin embargo, además de la repulsión, también hay hay atra atracc ccio ione ness de co cort rto o alca alcanc nce e entr entre e los los mism mismos os prot proton ones es,, entr entre e prot proton ones es y neutrones, y entre los neutrones. La es esta tabil bilid idad ad de cualq cualqui uier er núcle núcleo o depe depend nde e de la difer diferen encia cia entr entre e las las fuerz fuerzas as de repulsión coulómbicas y las fuerzas de atracción de corto alcance. Si la repulsión es mayor que la atracción, el núcleo se desintegra y emite partículas y (o) radiación. Si las fuerzas de atracción predominan, el núcleo es estable. El fact factor or princ princip ipal al que que dete determ rmin ina a la es esta tabi bilid lidad ad del del núcle núcleo o es la relación (n/p). Pa Para ra los átomos átomos estable establess de elemento elementoss que tienen tienen númer número o neutrón/protón (n/p). atómico bajo, la proporción n/p se acerca a 1. Conforme aumenta el número atómico, la relación neutrón/protón tiende a ser mayor que 1. Esta desviación se debe a que se necesita un mayor número de neutrones para contrarrestar las fuertes repulsiones que hay entre los protones para poder estabilizar al núcleo.

Las siguientes reglas ayudan a predecir la estabilidad nuclear: Los núcleos que contienen 2, 8, 20, 50, 82 o 126 protones o neutrones suelen ser más estables que los núcleos que no poseen estos números. Así por ejemplo, existen 10 isótopos estables del estaño (Sn) con número atómico de 50, y sólo dos isótopos estables del antimonio (Sb) con número atómico 51. Los números 2, 8, 20, 50, 82 y 126 se llaman números números mágicos mágicos. La importancia de estos números para la estabilidad nuclear es similar a la del número de electrones asoc asocia iado doss co con n los los gase gasess nobl nobles es esta establ bles es (est (esto o es, es, 2, 10, 10, 18,3 18,36, 6, 54 y 86 electrones).  Los núcleos con números pares de protones y neutrones son, por lo general, más estables que los que tienen números nones de estas partículas.   Todos los isótopos de los elementos que tienen número atómico mayor de 83 son radiactivos. Todos los isótopos del tecnecio (Tc, Z = 43) y del prometió (Pm, Z = 61) son radiactivos. 

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El siguiente gráfico representa el número de neutrones frente al número de protones de varios isótopos. Los núcleos más estables se localizan en una zona llamada cinturón de estabilidad . La mayoría de los núcleos radiactivos se encuentran fuera de este cinturón. Por arriba de éste, los núcleos tienen una proporción neutrón/protón mayor que aquellos que se encuentran dentro del cinturón (y que tienen el mismo número de protones). Para disminuir esta proporción (y así moverse hacia el cinturón de estabilidad), estos emisión beta lleva al aumento de núcleos deben emitir una partícula beta. Esta emisión protones en el núcleo y al mismo tiempo disminuye el número de neutrones; por ejemplo:

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Obj136

Obj137

Obj138

Abajo del cinturón de estabilidad, los núcleos tienen una proporción neutrón/protón menor que aquellos que están en el cinturón (y que tienen el mismo número de protones). Para aumentar esta proporción /y así acercarse al cinturón de estabilidad), es esto toss núcle núcleos os em emite iten n un posit positró rón n o ca capt ptur uran an un ele elect ctró rón. n. La sigu siguien iente te reac reacci ción ón ejemplifica la emisión de un positrón:

Obj139

La captura de un electrón-por lo general un electrón 1s-se lleva a cabo por el núcleo. El electrón capturado se combina con un protón para formar un neutrón, de modo que el número atómico disminuye una unidad, pero el número másico no cambia. Este proceso tiene el mismo efecto neto que la emisión de un positrón:

Obj140

Obj141

Energía de unión nuclear energía de unión unión nuclear  nuclear  es una medida cuantitativa de la estabilidad La energía nuclear, y es la energía necesaria para romper un núcleo en sus protones y neutrones . Esta cantidad representa la conversión de masa en energía que sucede durante una reacción nuclear exotérmica.

Obj143 Obj142

El co conc ncep epto to de ener energí gía a de unión unión nucl nuclear ear se origi originó nó de los los es estu tudio dioss de las las propiedades nucleares que demuestran que las masas de los núcleos siempre son menores que la suma de las masas de los nucleones (un término que define al conjunto

13 de protones y neutrones del núcleo). Por ejemplo, el isótopo tiene una masa atómica de 18.9984 uma. El núcleo tiene 9 protones y 10 neutrones, es decir, 19 nucleones. Con los datos datos conocidos conocidos de la mas masa a del átomo átomo de (1.007 (1.007825 825 uma) y del neutrón neutrón (1.008 (1.008665 665 uma), se puede llevar a cabo el siguiente análisis. Obj144

La masa de 9 átomos de (es decir, la masa de 9 protones y 9 electrones) es

Obj148 Obj147 Obj146 Obj145

y la masa de 10 neutrones Obj152 Obj151 Obj150 Obj149

Obj153

Por tanto, la masa atómica de un átomo de , calculada a partir de los números conocidos de electrones, protones y neutrones es

Obj158 Obj157 Obj156 Obj155 Obj154

Obj159

que supera en 0.1587 uma a la masa medida para el (18.9984 uma). Obj160

A la diferencia entre la masa de un átomo y la suma de las masas de sus   protones, neutrones y electrones se le llama defecto de masa. La masa faltante se puede explicar por la teoría de la relatividad, que afirma que la pérdida de masa se mani ma nifi fies esta ta co como mo ener energí gía a libe libera rada da (en (en form forma a de ca calo lor) r) a los los alre alrede dedo dore res. s. Por consiguiente, consiguiente, la formación formación del isótopo isótopo es exotérmic exotérmica. a. De acuerdo con la relación de equivalencia entre masa y energía desarrollada por Einstein (E = m·c 2 ), es posible calcular la cantidad de energía liberada.  Tenemos Obj161

14 donde ΔE y Δm se definen como: ΔE = energía del producto – energía de los reactivos producto – masa de los reactivos Δm = masa del producto

Entonces, para el cambio de masa se tiene Δm = 18.9984 uma –19.15708 uma Δm = -0.1587 uma

Obj162

Como tiene una masa menor que la calculada a partir del número de electrones y nucleones presentes, Δm es una cantidad negativa. Por consiguiente, ΔE también es una cantidad negativa; es decir, la energía se libera a los alrededores tras la formación del núcleo de flúor-19. Así que que ΔE se se calcula del siguiente modo: ΔE = (-0.1587 uma)(3.00 × 108 m/s)2 ΔE = -1.43 × 1016 uma·m2/s2

Aplicando los factores de conversión 1 kg = 6.022 × 1026 uma 1 J = 1 kg m2/s2 se obtiene que

ΔE = -2.37 × 1011 J Ésta es la cantidad de energía que se libera cuando se forma un núcleo de flúor-19 a partir de 9 protones y 10 neutrones. La energía de unión nuclear de este núcleo es de 2.37 × 10-11 J, y representa la cantidad de energía necesaria para descomponer el núcleo en protones y neutrones individuales. Cuando se forma un mol de núcleos de flúor, por ejemplo, la energía liberada es ΔE = (-2.37 × 10-11 J)( 6.022 × 1023 /mol) ΔE = -1.43 × 1013 J/mol ΔE = -1.43 × 1010 kJ/mol

Por consiguiente, la energía de unión nuclear es 1.43 × 1010 kJ por cada mol de núcleos de flúor-19, una cantidad enorme si se considera que las entalpías de las reacciones químicas ordinarias son de sólo 200 kJ. Este procedimiento se aplica para calcular la energía de unión nuclear de cualquier núcleo. Entonces, la energía de unión nuclear es la medida de la estabilidad de un núcleo. Sin embargo, cuando se compara la estabilidad de dos núcleos cualesquiera se debe tomar

15 en cuenta que tienen distinto número de nucleones; por esta razón, tiene más sentido utilizar la energía de unión nuclear por nucleón , que se define como

Para el núcleo del flúor-19,

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La energía nuclear por nucleón permite comparar la estabilidad de todos los núcleos con una base común. El gráfico anterior muestra la variación de la energía de unión nuclear por nucleón en función del número de masa. Como se aprecia, la curva aumenta brus brusca came ment nte. e. La Lass ener energi gias as de unió unión n por por nucl nucleó eón n má máss alta altass co corrresp respon onde den n a os elementos que tienen un número de masa intermedio –entre 40 y 100—, y son mayores para los elementos de la región del hierro, cobalto y níquel de la tabla periódica. Esto significa que las fuerzas de atracción neta entre las partículas (protones y neutrones) son mayores para los núcleos de estos elementos.

Radiactividad natural

17 Los núcleos que están fuera del cinturón

de estabilidad y los que tienene más de 83 protones tienden a ser inestables. La radiactividad es la emisión espontánea de partículas o de radiación electromagnética, o de ambas, por estos núcleos. núcleos. Los principales principales tipos de radiación radiación son: las partículas α (el núcleo de helio con dos cargas, cargas, He 2+), las partículas partículas β (o electrones), electrones), los rayos γ , ondas -4 electromagnéticas de onda muy corta (0.1 a 10 nm), la emisión de positrones y la captura de electrones. La desintegración de un núcleo radiactivo suele ser el comienzo de una serie de desintegración radiactiva , es decir, una secue secuencia ncia de reacci reaccione ones s nuclea nucleares res que culmina en la formación de un isótopo estable. En el esquema de la derecha se muestra la desintegración (decaimiento) del isótopo de U-238. Este isótopo se encuentra en forma natural. Este esquema de desintegración que ocurre en 14 pasos se conoce como serie de desintegración del uranio.

18 Al seguir la serie a través de sus sucesivas transformacio transformaciones nes podemos ver al isótopo isótopo al que decae y la partícula que emite en el proceso. Series similares se verifican para el Torio (Th) y Neptunio (Np).

Transmutación nuclear La química nuclear sería un campo limitado si sólo se dedicara a estudiar los elementos radiactivos naturales. En este sentido, un experimento que realizó Rutherford en 1919, sugirió que era posible producir radiactividad por medios artificiales. Cuando Ruthe Rutherfor rford d bombar bombardeó deó muestr muestras as de nitróg nitrógeno eno con partícu partículas las α, se llevó a cabo la siguiente reacción: Obj163

Obj164

Con la emisión de un protón se formó el isótopo de oxígeno-17. Esta reacción demostró, por por prim primer era a vez, vez, que que era era posi posibl ble e tran transf sfor orma marr un elem elemen ento to en otro otro me medi dian ante te transmutación nuclear. A diferencia de la desintegración radiactiva, este proceso resulta de la colisión de dos partículas. La reacción anterior se abrevia como

Obj165

Aunque los elementos ligeros no suelen ser radiactivos, pueden adquirir esta propiedad al bombar bombardea dearr sus núcleos núcleos con las partícu partículas las apropi apropiada adas. s. Po Porr ejemplo ejemplo,, el tritio tritio se prepara mediante el siguiente bombardeo:

Obj166

El tritio se desintegra desintegra con con la emisión emisión de partículas partículas β, con un tiempo tiempo de vida media de 12.5 años. Muchos isótopos sintéticos se preparan empleando neutrones como proyectiles. Este método es en particular adecuado porque los neutrones no llevan cargas y, por lo tanto, no son repelidos por los “blancos”: los núcleos. Por el contrario, si los proyectiles son partículas con carga positiva (protones o partículas α), deben tener una energía cinética considerable para vencer la repulsión electrostática entre ellas mismas y los átomos blanco. Ejemplo: Obj167

19 Los campos eléctricos y magnéticos de un acelerador acelerador de partículas partículas aumenta la energía energía cinética cinética de las especies especies cargadas para favorecer favorecer la reacción. reacción. Producto Producto de esto, las partículas se aceleran con una trayectoria en espiral. Cuando alcanzan la energía suficiente para iniciar la reacción nuclear deseada, se conducen fuera del acelerador para que hagan colisión con la sustancia blanco. En la actualidad es factible acelerar las partículas a velocidades por encima del 90% de velocid velocidad ad de la luz. Los físicos físicos utiliza utilizan n las partícu partículas las extrem extremada adamen mente te energé energétic ticas as generadas en los aceleradores para romper los núcleos atómicos en fragmentos. El estudio de estos fragmentos proporciona información valiosa acerca de la estructura y de las fuerzas de unión en el núcleo.

Los elementos transuránicos

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elementos con Loss ace Lo acelera lerador dores es de partícu partículas las hicier hicieron on posibl posible e la síntes síntesis is de elementos llamadoss elementos transuránicos. La tabl tabla a número números s atómic atómicos os mayor mayores es de 92, llamado anterior muestra algunos de los elementos sintetizados.

Fisión nuclear En el proceso de fisión nuclear se nuclear se divide un núcleo pesado (número de masa > 200) para formar núcleos más pequeños de masa intermedia y uno o más neutrones .

Este proceso libera gran cantidad de energía debido a que el núcleo pesado es menos estable que sus productos. La primera reacción de fisión nuclear que se estudió fue la del uranio-235 bombardeada con neutrones lentos, cuya velocidad es comparable a la de las moléculas del aire a tempera temperatur tura a ambien ambiente. te. En estas estas condic condicion iones, es, el uraniouranio-235 235 experim experiment enta a una fisión fisión nuclear. En realidad, esta reacción es muy compleja, ya que en los productos de fisión nuclear se encuentran más de 30 elementos distintos cuyos números másicos estan entre los 80 y 150, aproximadamente. La siguiente es una reacción representativa

Obj168

Aunque esposible provocar una fisión en muchos núcleos pesados, sólo la fisión del uranio-235 (que se encuentra en forma natural) y la del isótopo artificial plutonio-239 tienen cierta importancia práctica. La tabla de la izquierda muestra las energías de

unión nuclear del uranio-235 y de sus productos de fisión. La energía de unión nuclear por nucleón para el uranio-235 es menor que la suma de las energías de unión del estroncio-90 y del xenón-143. Por consiguiente, cuando un núcleo

22 de uranio-235 se divide en dos núcleos más pequeños, se libera cierta cantidad de energía. La magnitud de esta energía se puede calcular a partir de la diferencia entre las energías de unión de los reactivos y los productos (1.23 × 10-10+1.92 × 10-10)J – (2.82 × 10-10)J = 3.3 × 10-11 J por núcleo de uranio-235 Para 1 mol de uranio-235, la energía liberada sería (3.3 × 10-11 J)(6.02 × 1023 1/mol) =

2.0 × 1013 J/mol

Ésta reacción es demadiado exotérmica, si se considera que el calor de combustión de una tonelada de carbón es de sólo 5 × 107 J. La ca carac racter terís ístic tica a sobr sobres esali alien ente te de la fisión fisión del urani uranio-2 o-235 35no no es la enor enorme me cantidad de energía liberada, sino el hecho de que la fisión produce más neutrones que los que se capturaron al inicio del proceso. Por esta propiedad es posible obtener una reac reacci ción ón en ca cade dena na, es decir, una una secu secuen enci cia a de reac reacci cion ones es d fisió fisión n nucl nuclea ear  r  autosuficientes. Los neutrones generados en las etapas iniciales de la fisión pueden inducir fisión en otr otros núcleo cleoss de urani ranioo-23 235 5, que que a su vez vez produ roduce cen n má máss neut neutrrones ones,, y as así  í  sucesivamente. En menos de un segundo, la reacción se vuelve incontrolable, liberando una gran cantidad de calor a los alrededores. Para que se lleve a cabo una reacción en cadena, es preciso que la muestra tenga suficiente uranio-235 para capturar los neutrones; de lo contrario, muchos neutrones escaparán de la muestra y la reacción en cadena no progresará. En esta situación, se dice que la masa de la muestra es subcrítica. Sin embargo, cuando la cantidad de muestra posee una cantidad de material fisionable igual o mayor que la masa crítica, es decir, la mínima masa del material fisionable necesaria para generar una reacción nuclea nuclearr en cadena cadena, los los núcl núcleo eoss de uran uranioio-23 235 5 ca capt ptur urar arán án la ma mayo yorr part parte e de los los neutrones y la reacción en cadena se producirá.

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La bomba atómica La fisión nuclear se aplicó por primera vez para fabricar la bomba atómica. El factor crucial en el diseño de la bomba es su masa crítica. Una bomba atómica pequeña equiv equivale ale a 2000 20000 0 tonela tonelada dass de TN TNT T. Ya que que una una tone tonela lada da de es este te ma mate teria riall libera libera alrededor de 4 × 109 J de energía, 20000 toneladas producirán 8 × 1013 J. Antes vimos que durante la fisión de 1 mol de uranio, o 235 g, de uranio-235 se liberan 2.0 × 1013 J de energía. Entonces, la masa del isótopo presente en una bomba pequeña debe ser de por lo menos Obj169

Por razones obvias, una bomba atómica nunca se ensambla con la masa crítica ya instalada, más bien, se forma mediante un explosivo convensional, como el TNT, para forzar la unión de las secciones fisionables. Los neutrones de una fuente situada al centro del dispositivo disparan la reacción en cadena. El uranio-235 fue el material fisionable empleado en la bomba lanzada sobre Hiroshima, Japón, el 6 de agosto de 1945. En la bomba que se hizo explotar en Nagasaki tres días después, se utilizó plutonio-239. Las reacciones de fisión que se generaron fueron similares en ambos casos, como lo fue la magnitud de la destrucción.

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Reactores nucleares

Una aplocación de la fisión nuclear con fines pacíficos, aunque controvertida, es la gene genera ració ción n de ele elect ctric ricida idad d apro aprove vech chan ando do el ca calo lorr de una una reac reacció ción n en caden cadena a controlada en un reactor nuclear. Los reactores nucleares suelen proporcionar alrededor del 20% de la energía eléctrica de Estados Unidos. Ésta es una contribución pequeña, aunque nada despreciable, para la producción de energía de este país.

Reactores de agua ligera Gran Gran parte parte de los reac reacto tore ress nucl nuclea eare ress que que se usan usan en Estad Estados os Unido Unidoss son son reactores de agua ligera . El diagrama esquemático, más abajo, muestra la estructura general de este tipo de reactores. La velocid velocidadd adde e los neutrone neutroness es un aspecto aspecto important importante e del proces proceso o de fisión. fisión. Los neutrones lentos dividen el núcleo de uranio-235 con más eficiencia que los neutrones rápidos rápidos.. Como Como las reacci reaccione oness de fisión fisión son demasi demasiado ado exoté exotérmi rmicas cas,, los neutro neutrones nes generados suelen alcanzar altas velocidades; para que sea más eficiente, es preciso disminuir su velocidad antes de utilizarlos para inducir la reacción nuclear.

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Para ello, los científicos utilizan sustancias que pueden reducir la energía cinética de los neutrones, y que se conocen como moderadores. Un buen moderador moderador debe satisfacer varios requisitos; no debe ser tóxico ni costoso (en virtud de que se necesitan grandes cantidades), cantidades), debe resistir resistir la conversión a una sustancia sustancia radiactiva radiactiva por bombardeo bombardeo de neutrones; además, debe ser fluido para que también sirva como refrigerante. Ninguna sustancia cumple con todos estos requisitos, aunque el agua es la que se acerca más que cualquiera de las otras sustancia que se han considerado. Los reactores nucleares que utilizan agua como moderador se llaman reactores de agua ligera porque el es el isótopo más ligero del hidrógeno. El combustible del reactor nuclear es uranio, casi siempre en forma de su óxido U3O8. El uranio que se halla en forma natural contiene alrededor de 0.7% del isótopo de uranio-235, uranio-235, y es una concentración concentración muy baja para mantener una reacción en cadena a baja escala. Para que un reactor de agua ligera opere con eficacia, el uranio-235 se debe enriquecer hasta una concentración de 3 o 4%. En principio, la diferencia principal entre una omba atómica y un reactor nuclear estriba en que la reacción en cadena que se lleva a cabo en este último está bajo control permanente. El factor que limita la velocidad de la reacción es en número de neutrones presentes, y se puede controlar bajando barras de cadmio o de boro entre los elementos combustibles. Estas barras capturan los neutrones de acuerdo con las ecuaciones siguientes

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donde γ  denota los rayos gamma. Sin las barreras de control, el calor generado fundiría el centro del reactor y el material radiactivo se escaparía al medio ambiente. Loss reac Lo reacto tore ress nucle nuclear ares es tiene tienen n sist sistem emas as de enfri enfriam amien iento to muy muy ela elabo borad rados os.. Absorben el calor que se desprende en la reacción nuclear y lo transfiren fuera del centro del reactor, donde se utiliza para generar suficiente vapor para hacer funcionar un gene genera rado dorr de elect electric ricida idad. d. En es este te aspe aspect cto, o, una una plan planta ta de ener energí gía a nucle nuclear ar es semejante a una planta de energía convencional que quema combustibles fósiles. Por ello, la mayoría de las plantas de energía nuclear se construyen cerca de un río o lago; aunque aunque desafortunad desafortunadament amente, e, este método de enfriamiento enfriamiento ocasiona ocasiona contaminación contaminación térmica. Otro tipo de reactor nuclear es el de agua pesada (que usa deuterio, D2O), El D2O es meno me noss efic eficie ient nte e co como mo mode modera rado dor, r, por por lo que que no es nece necesa sari rio o usar usar uran uranio io-2 -235 35 enriquecido. Los reactores de cría, usan uranio-235 mezclado con uranio-238. Esta interacción interacción produce plutonio-239 que se fisiona. Por lo tanto, estos reactores reactores producen producen más material fisionable del que consumen.

Fusión nuclear

26 A difer diferen encia cia del del proc proces eso o de fisió fisión n nucle nuclear, ar, la fusión decir, r, la fusión nuc nuclear  lear , es deci combinación de pequeños núcleos en otros más grandes , está exenta, en gran parte, del problema asociado al desecho de los desperdicios. Para loselementos más ligeros, la estabilidad nuclear aumenta con el número de masa. Este comportamiento suguiere que si dos núcleos ligeros se sombinan o se fusionan para formar un núcleo más grande y más estable, se liberará una cantidad considerable de ener energí gía a en el proc proces eso. o. Ésta Ésta es la base base de la inve invest stig igac ació ión n co con ntinu tinua a para para el aprovechamiento de la fusión nuclear en la producción de energía. La fusión nuclear es un proceso continuo en el Sol, el cual se compone principalmente de hidrógeno y helio. En su interior, donde la stemperaturas alcanzan cerca de 15 millones de grados Celsius, se supone que se llevan a cabo las siguientes reacciones de fusión: Obj173

Las reacciones de fusión suelen llamarse también reacciones termonucleares porque se llevan a cabo sólo a temperaturas muy elevedas.

Reactores de fusión La preocupación principal al elegir el proceso de fusión nuclear adecuado para la producción de energía es la temperatura necesaria para llevar a cabo el proceso. Algunas reacciones promisorias son

Reacción

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Energía liberada 6.3 × 10-13 J

2.8 × 10-12 J

3.6 × 10-12 J

27 Para superar las fuerzas de repulsión entre

los los ent entre los los núcle cleos, estas reaccion iones se lle llevan a cabo a temperatu aturas extr extrem emad adam ament ente e alta altas, s, del del orde orden n de 100 100 millon millones es de grad grados os Cel Celsiu sius. s. La prime primera ra reacción es en particular atractiva porque la disponibilidad de deuterio es prácticamente inagotable. El volumen total de agua en la Tierra es cercano a 1.5 × 1021 L. Dado que la abundancia natural del deuterio es de 0.015%, esta cantidad representa un total de 4.5 × 1021 g o 5.0 × 1015 toneladas. El costo que representa preparar el deuterio en mínimo comparado con el valor de la energía liberada en la reacción. En contraste con el proceso de fisión, la fusión nuclear parace ser una fuente de energía muy promisoria, al menos “en teoría”. Aunque la contaminación térmica pudiera ser un problema, la fusión tiene las siguientes ventajas: 1) los combustibles son baratos y casi inagotables y 2) el proceso genera pocos desperdicios radiactivos. Si una máquina de fusión dejara de funcionar, se apagaría completa e instantáneamente, sin peligro de que se fundiera. Si la fusión nuclear es tan especial, ¿por qué no existe al menos un reactor de fusión que produzca energía? Aunque se pudiera disponer del conocimiento científico para para dise diseña ñarl rlo, o, aún aún no se han han supe supera rado do las las difi dificu cult ltad ades es técn técnic icas as.. El prob proble lema ma fund fundam amen ental tal es encon encontra trarr la form forma a de ma mant nten ener er unido unidoss a los los núcle núcleos os el tiemp tiempo o sufic suficien iente te y a la temp tempera eratu tura ra apro apropi piad ada a para para que que se lle lleve ve a ca cabo bo la fusió fusión. n. La Lass moléculas no pueden existir a temperaturas cercanas a 100 millones de grados Celsius, además, todos o la mayoría de los átomos quedarían despojados de sus electrones. Este estado de la materia es una mezcla gaseosa de iones positivos y electronesconocida como  plasma. Lograr contener este plasma es una tarea formidable. ¿Qué recipiente

sólido puede existir a estas temperaturas? Ninguno, a menos que la cantidad de plasma sea pequeña; pero entonces, la superficie del sólido enfriaría de inmediato la muestra y apag apagar aría ía la reac reacci ción ón de fusió fusión. n. Este Este prob proble lema ma se pued puede e reso resolve lverr em empl plean eando do un confinamiento magnético . Como el plasma se compone de partículas cargadas que se mueven a velocidades elevadas, un campo magnético ejercería fuerza sobre él. Como lo muestra la figura anterior, el plasma confinado en un campo magnético complejo se mueve a través de un túnel en forma de dona ( Toroide). Así, el plasma nunca entra en contacto con las paredes del recipiente. Otro diseño prometedor es el que utiliza rayos láser de alta potencia para iniciar la reacción de fusión. En las pruebas que se llevan a cabo, varios rayos láser transfieren

28 energía a una pastilla de combustible. Los rayos calientan la pastilla y provocan su implosión, es decir, se colapsa desde todos los puntos y se comprime hasta que su volumen es mínimo; como consecuencia se lleva a cabo la fusión. Al igual que el método de confina confinamien miento to magnéti magnético, co, la fusión fusión con rayos rayos lás láser er presen presenta ta varias varias dificul dificultade tadess técnicas que aún se deben resolver antes de ponerla en práctica a gran escala.

La bomba de Hidrógeno Los problemas técnicos inherentes al diseño de un reactor de fusión nuclear no interfieren en la producción de una omba de hidrógeno, a la que también se le llama bomba termonuclear . En este caso, el objetivo es tener toda la potencia, no el control. La bomba de hidrógeno no contiene hidrógeno o deuterio gaseoso, sino deuterio de litio sólido (LiD) que se puede empaquetar fuertemente. La detonación de una bomba de hidrógeno sucede en dos etapas: primero hay una reacción de fisión y luego una reacción reacción de fusión. fusión. La temperatura necesaria necesaria para esta última se logra con una bomba bomba atómica; atómica; en cuanto ésta explota, explota, se llevan a cabo las siguientes reacciones reacciones que liberan cantidades enormes de energía:

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En una bomba de fusión no hay masa crítica y la fuerza de la explosión sólo está limitada por la cantidad de reactivos presentes. Se dice que las bombas termonucleares son “más limpias” que las bombas atómicas porque los únicos isótopos radiactivos que producen son los productos de la fisión inicial y el tritio, que es un emisor débil de partículas β (t½ = 12.5 años). Sin embargo, la bomba de fusión puede tener efectos más nocivos para el medio ambiente si en su construcción se incorpora algún material no fisionable, como el cobalto. Al ser bombardeado por los neutrones, el cobalto-59 se transforma en cobalto-60, que es un emisor muy fuerte de rayos γ , cuya vida media es de 5.2 años. Los isótopos radiactivos de cobalto en los fragmentos o en la lluvia radiactiva de una explosión termonuclear podrían ser fatales para los sobrevivientes a la explosión inicial.

Poder penetrante de la radiación ra diación

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De alguna forma la piel nos protege parcialmente de la incidencia de radiación. Sin Sin em emba barg rgo, o, si la ac activ tivid idad ad sobr sobrep epas asa a ciert ciertos os límite límitess se pued pueden en prod produc ucir ir grave gravess quem quemad adur uras as por por la expo exposi sici ción ón.. La radi radiac ació ión n es poc poco penet enetra ran nte y ac actú túa a principalmente a nivel de la piel. La radiación β, puede penetrar de 5 a 10 mm y la radiación γ, llega fácilmente a los huesos. Efectos biológicos de la radiación Estudiemos brevemente los efectos de la radiación en los sistemas biológicos; pero antes se definirán las mediciones cuantitativas de la radiación. La unidad fundamental de la radiactividad es el curie (Ci), que corresponde, exactamente, a 3.70 × 1010 desintegraciones nucleares por segundo. Esta velocidad de desintegración equivale a 1 g de radio. Un milicurie (mCi) es el milésimo de curie; de modo que 10mCi de una muestra de carbono-14 es la cantidad que experimenta (10 × 10-3)(3.70 × 1010) = 3.70 × 108 desintegraciones por segundo. La intensidad de la radiación depende del número de desintegracion desintegraciones es , así como de la energía y tipo de radiación emitida. La unidad común de la dosis de radiación que se absorbe es el rad (radiation absorbed dose, o dosis de radiación absorbida), que es la cantidad de radiación que lleva a la absorción de 1 × 10-5  J por gramo de material irradiado. El efecto biológico de la radiación depende de la región del cuerpo que se haya expuesto y del tipo de radiación. Por esta razón, el rad a menudo menudo se multipl multiplica ica por un factor factor llamado llamado RBE (relat (relative ive biologi biological cal effecti effectiven veness ess,, eficacia biológica relativa). El producto se llama rem (roentgen equivalent for man, equivalente roentgen para el hombre):

1 rem = 1 rad × 1 RBE De los tres tipos de radiación nuclear, las partículas α suelen ser las menos penetrantes; las partículas β son más penetrantes que las α, pero menos que los rayos γ . Los rayos γ  son de alta energía y de longitudes de onda muy cortas; además, como no llevan carga, no se pueden detener por los materiales protectores con la misma facilidad como se hace con las partículas α y β. Sin embargo, embargo, si si se ingiere ingiere un emisor α o β, sus efectos dañinos se agravan porque los órganos estarán sujetos a una radiación constante de

30 corto corto alcance. alcance. Por ejemplo, ejemplo, el estron estroncio-9 cio-90, 0, un emisor β, es capaz capaz de ree reempl mplazar azar el calcio de los huesos, donde el daño es mayor. Debe señalarse que al exponerse a una dosis de radiación a corto plazo de 50 a 200 rem disminuye la cuenta de glóbulos blancos, además de otras complicaciones, mientras que una dosis de 500 rem o más puede provocar la muerte en el lapso de algunas semanas. Los estándares de seguridad no permiten a los trabajadores nucleares exponerse a más de 5 rem por año, y al público en general a más de 0,5 rem de la radiación que produce el hombre. La base química del daño causado por la radiación es la radiación ionizante. La radiación de partículas o de rayos γ  puede quitar electrones a los átomos y moléculas que se encuentran en su trayectoria, formando así iones y radicales. Los radicales (también llamados radicales libres) son fragmentos moleculares que tienen uno o más electrones desapareados; casi siempre tienen una vida corta y son muy reactivos . Por ejemplo, cuando el agua se irradia con rayos γ , se forma la siguiente reacción:

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La especiese denomina radical hidroxilo. Obj182

El electrón (en su forma hidratada) hidratada) puede reaccionar reaccionar después con el agua o con un ion hidr hidróg ógen eno o para para form formar ar hidr hidróg ógen eno o atómic atómico, o, y con el oxíg oxígeno eno para para form formar ar el ion superóxido, (un radical): Obj183

Los iones superóxido y otros radicales libres atacan las membranas celulares de los tejidos y una gran variedad de compuestos orgánicos, como enzimas y moléculas de ADN. Los compuestos orgánicos mismos pueden ionizarse directamente y destruirse por la radiación de alta energía. Desde hace tiempo se sabe que la exposición a la radiación de alta energía puede inducir cáncer en seres humanos y en animales. Esta enfermedad se caracteriza por un crecimiento celular incontrolable. Por otra parte, está bien establecido que es posible destru destruir ir células células cancer cancerosa osass con tratami tratamient entos os de radiaci radiación ón adecua adecuados dos.. Esta Esta terapia terapia consiste en exponer al enfermo a una radiación suficiente para acabar con las células cancerosas sin matar demasiadas células normales y sin inducir otras formas de cáncer. El daño daño que que provo provoca ca la radiac radiació ión n a los los sere seress vivos vivos suel suele e clasi clasific ficar arse se co como mo somático o genético. Las lesiones somáticas son aquellas que afectan al organismo

31 durante durante su vida; como las quemaduras quemaduras del Sol, las erupciones en la piel, el cáncer cáncer y las cata ca tarat ratas as.. El daño daño gené genéti tico co sign signifi ifica ca que que hay hay ca camb mbios ios here hereda dado doss o muta mutacio cione ness genéticas. Por ejemplo, una persona cuyos cromosomas se dañaron o alteraron por la radiación, puede tener descendientes deformes. Otra unidad que se usa para expresar el daño biológico que provoca la exposición de un organismo a la radiación es el sievert  (Sv), que tiene la siguiente equivalencia con el rem.

1 Sv = 100 rem Así, en estas unidades, la radiación de fondo recomendada, en un año, para una persona, no debe superar los 0.005 Sv, siendo la radiación recibida de fuentes naturales igual a unos 0.003 Sv. Veamos con más detalles los daños ocasionados por la radiación en relación con la dosis recibida

Dosis (Sv)

Efecto biológico

0 – 0.25

No hay efecto inmediato

0.25 – 0.50

Disminución temporal de la cuenta de glóbulos blancos

0.50 – 1.0

Disminución importante de la cuenta de glóbulos blancos

1.0 – 2.0

Náuseas. Caída del cabello

2.0 – 5.0

Hemorragias internas. Posible muerte

> 5.0

50% de probabilidad de muerte en el plazo de 30 días.

Isótopos radiactivos Los isót Los isótop opos os radi radiac acti tivo voss son son prod produc ucid idos os en los los rea eact ctor ores es nucl nuclea eare ress de investigación. El comportamiento químico es idéntico a un isótopo estable del mismo elemento, pero son detectados ubicando la radiactividad que emiten. Estos isótopos son una herramienta muy útil, ya que se pueden utilizar como trazadores en reacciones químicas biológicas y no biológicas. Por ejemplo, en medicina, industria y agricultura.

Trazadores en medicina Los isótopos radiactivos son una herramienta fundamental para detectar y tratar algunas algunas enferme enfermedad dades. es. Así, por ejemplo, ejemplo, utiliza utilizando ndo radiofármacos de vida media discreta, se pueden estudiar órganos y tejidos sin alterarlos. Una pequeña dosis del radiofármaco se da al paciente, ya sea por vía intravenosa o por vía oral, y a través de dispositivos de detección se sigue el recorrido hasta que se concentra en un órgano o

32 tejido. La radiación emitida por éste permite crear una imagen del órgano la cual es reproducida para examinarla. Veamos los siguientes ejemplos

Isótopo radiactivo Yodo-131

Vida media 8.1 días

Área del cuerpo estudiada Tiroides

Hierro-59

45.1 días

Glóbulos rojos

Fósforo-32

14.3 días

Ojos, hígado y tumores

Tecnecio-99 Sodio-23

6.0 horas 14.8 horas

Corazón, huesos, hígado y pulmones Sistema circulatorio

Trazadores en la industria Se utilizan para introducirlos en determinados procesos e investigar las diversas partes que lo componen. Un ejemplo es la utilización de trazadores para detectar fugas de gases o líquidos que son transportados a través de cañerías por circuitos, como los conductos subterráneos de un oleoducto. También se utilizan para obtener imágenes de piezas piezas intern internas as de diferen diferentes tes estruc estructura turas, s, utilizan utilizando do radiog radiografí rafías as en base base a rayos rayos gamma, gamma, conoci conocidas das como como gammagrafías, usada sadass para para co comp mpro roba barr la ca cali lida dad d de soldad sol dadura urass en piezas piezas metálic metálicas as y cerámic cerámicas. as. Estas Estas imágene imágeness también también se usan usan en medicina.

Trazadores en la agricultura Los trazadores son utilizados para llevar a cabo estudios sobre la efectividad de determinados nutrientes para así poder utilizarlos adecuadamente en diversos cultivos. Esto se logra introduciendo un isótopo, como el fósforo-32, en un fertilizante para marcarlo, marcarlo, luego se incorpora incorpora el fertilizante fertilizante en el suelo en tiempos y cultivos cultivos diferentes; así será posible determinar qué cantidad y en qué época del año aplicar el fertilizante para obtener mayor productividad. Con este método es posible lograr cultivos más resistentes a las plagas o controlar directamente las plagas suministrando altas emisiones de radiación ionizante en la población de insectos machos, ya que así no dejan descendencia.

Trazadores en los estudios del medio ambiente En este sector, los trazadores son utilizados para detectar y analizar diversos contam contamin inan antes tes.. Para ara real realiza izarr el es estu tudi dio o se irrad irradia ia una una muest muestra ra de agua agua o suelo suelo obteniendo los espectros gamma que emite, para finalmente procesar la información. Este método es utilizado para investigar los daños causados causados por derrames derrames de petróleo, petróleo, contaminació contaminación n por dióxido dióxido de carbono, carbono, contaminación contaminación del agua o liberación liberación de gases a nivel del suelo.

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