Fundamentos del Átomo y la Energía Nuclear: Estructura, Reacciones y Aplicaciones

El Átomo: Estructura y Componentes

El átomo tiene partículas más pequeñas llamadas quarks.

El átomo se compone de un núcleo (donde se encuentran los protones y neutrones) y una corteza (donde están los electrones). Los átomos son neutros en su estado fundamental, y el número de protones y neutrones es similar, aunque no siempre exactamente igual. El tamaño de un átomo es aproximadamente 10^-10 m.

Partículas Subatómicas y Dimensiones

• El núcleo tiene un tamaño de aproximadamente 10^-14 m.
• Las partículas subatómicas son:
  • Protones (P+): Carga positiva.
  • Electrones (E-): Carga negativa.
  • Neutrones (N): Sin carga.

Teoría Atómica y Cargas Eléctricas

John Dalton, en el siglo XIX, estableció una teoría según la cual la materia está formada por átomos.

Cuando algunos cuerpos se frotan, adquieren carga eléctrica (+ y -). El núcleo atómico no sufre cambios en este proceso. Las cargas iguales (++ y --) se repelen, mientras que las cargas opuestas (+- y -+) se atraen.

Masa Atómica

• La masa de un átomo es la suma de las masas de las partículas que lo constituyen.
• La masa atómica de un isótopo es la suma de las masas de las partículas que lo forman.
• La masa atómica de un elemento químico es la masa de un átomo promedio de ese elemento, teniendo en cuenta todos sus isótopos.

Modelos Atómicos y Cuantización

Modelo Atómico de Bohr

El modelo atómico de Bohr propone que el átomo tiene un núcleo y que los electrones forman la corteza, moviéndose en órbitas definidas. En cada órbita, el electrón posee una energía distinta.

Iones

Los iones son átomos que han ganado o perdido electrones:

• Si un átomo pierde electrones, adquiere una carga positiva y se denomina catión (ion positivo).
• Si un átomo gana electrones, adquiere una carga negativa y se denomina anión (ion negativo).

Capas Electrónicas Cuantizadas

El átomo está cuantizado en capas electrónicas, con un número máximo de electrones por capa:

• Capa 1: 2 electrones
• Capa 2: 8 electrones
• Capa 3: 18 electrones
• Capa 4: 32 electrones

Fenómenos Nucleares y Radiactividad

Tipos de Radiación

• Radiación Alfa (α): Consiste en partículas compuestas por 2 protones y 2 neutrones (núcleos de helio). Tienen carga positiva y poca capacidad de penetración, siendo detenidas por una hoja de papel.
• Radiación Beta (β): Consiste en electrones de alta energía. Tienen carga negativa y una masa muy pequeña. Pueden atravesar láminas de aluminio de milímetros de espesor.
• Radiación Gamma (γ): Es un tipo de radiación electromagnética (similar a la luz) con gran poder de penetración, requiriendo plomo u hormigón para ser detenida.

Procesos Nucleares

• La desintegración radiactiva es un proceso que experimentan los núcleos de algunos átomos inestables para emitir radiación y alcanzar una configuración más estable.
• Una reacción en cadena ocurre cuando los neutrones bombardean y rompen núcleos atómicos, liberando más neutrones que a su vez rompen otros núcleos.
• La energía nuclear es una gran cantidad de energía liberada en reacciones nucleares.

Fisión y Fusión Nuclear

• Fisión Nuclear: Proceso en el que los núcleos de isótopos radiactivos de átomos muy grandes (como el uranio o el plutonio) se rompen para dar núcleos de átomos más pequeños, liberando una gran cantidad de energía.
• Fusión Nuclear: Proceso en el que los núcleos de átomos muy pequeños (como el hidrógeno) se unen para formar núcleos de átomos mayores (como el helio), liberando una cantidad aún mayor de energía.

Aplicaciones y Gestión de Residuos

Aplicaciones de la Energía Nuclear y la Radiactividad

• Generación de Energía: Utilizada en centrales nucleares para producir electricidad y en la fabricación de pilas de larga duración.
• Investigación y Datación: Empleada en experimentos para determinar la antigüedad de restos arqueológicos (datación por carbono-14, por ejemplo).
• Medicina: Usada para el diagnóstico de enfermedades (imágenes médicas) y en radioterapia para el tratamiento del cáncer.

Residuos Radiactivos

Los residuos radiactivos son peligrosos y duraderos, ya que emiten radiación durante miles de años. Se clasifican por su nivel de actividad:

• Baja y Media Actividad: Dejan de ser peligrosos en aproximadamente 300 años.
• Alta Actividad: Provenientes principalmente de las centrales nucleares, permanecen peligrosos durante miles de años.

Movimiento Electrónico

La carga negativa de los electrones es atraída por la carga positiva del núcleo. El único modo de vencer esta atracción y mantener los electrones en órbita es que estén en continuo movimiento.