Radiactividad y Reacciones Nucleares
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Radiactividad
Llamamos radiactividad a la propiedad que tienen algunas sustancias de emitir radiaciones capaces de penetrar cuerpos opacos, ionizar el aire, impregnar placas fotográficas, producir fluorescencia y dañar las células orgánicas. Estas emisiones radiactivas se originan en los núcleos inestables de algunos elementos químicos (Uranio, Plutonio, Polonio, Torio, Radio).
13.1. Tipos de Radiación: Alfa, Beta y Gamma
13.1.1 Radiación Alfa (α)
La radiación alfa está formada por núcleos de átomos de Helio (He42):
- Tiene carga eléctrica: Q = +2p = 3,2 x 10-19 C
- Su masa es: 2(mp + mn) = 6,7 x 10-27 Kg
- Tiene una energía del orden del MeV.
13.1.2 Radiación Beta (β)
La radiación beta está formada por electrones (e-) acelerados a alta velocidad procedentes de la reacción nuclear de desintegración de un neutrón.
- Tiene carga eléctrica: -e = -1,6 x 10-19 C
- Su masa es: 9,1 x 10-31 Kg
- Tiene una energía del orden del MeV.
13.1.3 Radiación Gamma (γ)
La radiación gamma es un tipo de radiación electromagnética de alta energía.
13.2. Actividad de una Muestra Radiactiva
Definimos la actividad de una muestra radiactiva como el número de emisiones por unidad de tiempo: A(t). La actividad de la muestra radiactiva también tiene un decrecimiento exponencial, a partir de la actividad inicial A0.
La masa de la muestra radiactiva también decrece de manera exponencial: m(t).
Definimos el periodo de semidesintegración como el tiempo necesario para que una muestra radiactiva se reduzca a la mitad: N(t).
13.2. El Núcleo Atómico
Un núcleo atómico está caracterizado por:
- Su número atómico (Z): subíndice que indica el número de protones del núcleo. Valor que caracteriza el elemento químico.
- Su número másico (A): superíndice que indica el número de protones y neutrones del núcleo.
Por ejemplo: 146C
Un isótopo es un núcleo atómico de un elemento químico con el mismo número atómico pero diferente número másico. Veamos algunos ejemplos:
- Tritio: 31H
- Hidrógeno: 11H
- Deuterio: 21H
- Carbono: 126C
13.2.1. Fuerzas Nucleares
Son dos interacciones de corto alcance responsables de la cohesión del núcleo atómico.
- Interacción Nuclear Fuerte: Responsable de la cohesión del núcleo atómico. Fuerza atractiva que mantiene unidos los nucleones (p+ y n) dentro del núcleo atómico venciendo la repulsión electrostática. Interacción de corto alcance, nula a distancias superiores a 10-15 m. Es la fuerza más intensa de la naturaleza.
- Interacción Nuclear Débil: Responsable de la desintegración β de los núcleos. Interacción de corto alcance: nula a distancias superiores a 10-18 m. Fuerza repulsiva que evita la colisión de los nucleones (p+ y n) dentro del núcleo atómico.
Grado de intensidad de las interacciones fundamentales de la naturaleza (de mayor a menor):
- Nuclear fuerte
- Electromagnética
- Nuclear débil
- Gravitatoria
13.2.2. Energía de Enlace
La energía de enlace de un núcleo es la energía liberada cuando los nucleones aislados se unen para formar un núcleo. Esa energía liberada proviene de una pérdida de masa atómica: la masa del núcleo formado es menor que la suma de las masas de los nucleones por separado. Ese déficit de masa viene dado por:
[Fórmula del déficit de masa]
La equivalencia de energía asociada a la pérdida de masa viene dada por la expresión de la energía relativista de Einstein:
E = mc2
Equivalente energético: 1 uma = 931 MeV.
La energía de enlace por nucleón se define como:
[Fórmula de la energía de enlace por nucleón]
Cuanto mayor sea la energía de enlace liberada por nucleón en la formación del núcleo, más estable será el átomo.
13.3. Las Reacciones Nucleares
Las reacciones nucleares son procesos en los que algunos núcleos atómicos inestables se desintegran, transformándose en otros distintos y produciendo emisiones radiactivas. En toda reacción nuclear los números atómicos (Z) y másicos (A) permanecen constantes. Todos los elementos radiactivos se agrupan en familias radiactivas que terminan todas transformándose en plomo.
13.3.1. Reacciones Nucleares y Radiactividad
- Ley de emisión de partículas alfa (Ley de Soddy): [Descripción de la ley]
- Ley de emisión de partículas beta (Ley de Fajans): [Descripción de la ley]
Desintegración de un neutrón para dar lugar a un e- a muy alta velocidad (partícula β) y un protón que se crea en el núcleo.
13.3.2. Reacción de Fisión Nuclear
La fisión nuclear es una reacción en la que un núcleo pesado se divide en otros más ligeros al ser bombardeado por neutrones. En esta reacción se libera gran cantidad de energía por déficit de masa. Se generan 3 neutrones más que desencadenan otras reacciones de fisión produciendo una reacción en cadena. Podemos controlar la energía liberada en la reacción controlando el número de neutrones.
13.3.3. Reacción de Fusión Nuclear
La fusión nuclear es una reacción nuclear en la que dos núcleos ligeros se unen para formar otro más pesado. En esta reacción se libera gran cantidad de energía por déficit de masa.
Energía de activación: esta reacción necesita de una gran cantidad de energía térmica para que se desencadene (106 K). Se presenta en la naturaleza de forma descontrolada en el Sol y en las bombas atómicas.