1. Colegio Scole Creare – Química – 4º Medio – Unidad 3 – Marianet Zerene - 2013
FENOMENOS NUCLEARES Y SUS APLICACIONES- RADIACTIVIDAD
NOMBRE:___________________________________________________________________ FECHA: __________________________
A principios del año 1896, Henri Antoine Becquerel, premio Nobel de Física en 1903, descubrió que un compuesto de
uranio emitía espontáneamente radiaciones ionizantes. Dos años más tarde el matrimonio Pierre y Marie Curie,
encontraron que otra sustancia llamada Torio emitía el mismo tipo de radiación que el compuesto de uranio. Las
investigaciones de estos dos científicos condujeron al descubrimiento de un nuevo elemento llamado Radio.
Llamamos radiación a la energía que se propaga en forma de onda a través del espacio. El ser humano ha estado
expuesto a las radiaciones ionizantes desde el comienzo de los tiempos. Las fuentes naturales de radiación se
encuentran tanto en el universo como en la tierra. El espacio exterior y el sol son el origen de la radiación cósmica,
constituida por partículas con un alto índice energético, 86% protones y 12% de partículas alfa.
Dentro del concepto de radiación se incluye tanto la luz visible como las ondas de radio y televisión lo que se conoce
como -radiaciones no ionizantes- y desde la luz ultravioleta a los rayos X o la energía fotónica -radiaciones ionizantes-.
Núcleo Atómico
Los Núcleos atómicos de los distintos elementos están formados por PROTONES y NEUTRONES, por lo cual se les
denomina con el nombre genérico de NUCLEONES
Para describir un núcleo se utilizan dos números:
NÚMERO ATÓMICO (Z), que representa la cantidad de protones que contiene
NÚMERO MÁSICO (A), que representa el total de nucleones que contiene, o sea, la SUMA TOTAL de protones y
neutrones.
Si se desea conocer el número de neutrones que contiene un núcleo, se debe tener en cuenta que:
A = número de protones + número de neutrones, por lo tanto
Número de Neutrones = A – número de protones = A- Z
El Núcleo de cualquier elemento se simboliza:
Existen muchos núcleos que presentan igual número de protones, por lo que pertenecen al mismo elemento, pero
Difieren en su Número Másico, o sea, que difieren en el número de neutrones. A estos núcleos se le denominan
ISÓTOPOS, otros en tanto son elementos diferentes pero mantienen el mismo número másico (isobaros) o igual número
de neutrones entre ellos (isótonos).
ISOTOPOS Mismo Z, distinto A.
Pertenece al mismo elemento.
ISOBAROS Mismo A, distinto Z.
Elementos distintos.
ISOTONOS Igual número de neutrones.
Elemento distinto.
Fuerzas Nucleares
La fuerza que controla la estructura electrónica y las propiedades del átomo es la conocida Fuerza de Coulomb
(Fuerza Electrostática). Sin embargo, dentro del núcleo se pueden encontrar dos fuerzas más:
a) Fuerza Nuclear Débil
b) Fuerza Nuclear Fuerte
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Radiactividad
Indicadores de Evaluación: Definen y describen estabilidad nuclear. Identifican tipos de núclido:
Isotopos, isobaros, isótonos. Reconocen la relación entre estabilidad nuclear y emisión radiactiva.
Caracterizar los tipos de emisiones radiactivas: alfa, beta y gamma. Definen vida media y calculan el
tiempo de vida media. Identificar y caracterizar los fenómenos de fisión y fusión nuclear. Identifican las
ventajas y desventajas del uso de energía nuclear. Reconocen la importancia del uso de isotopos en
distintos campos del saber
Puntaje:
PI:
PR:
Nota:

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La Fuerza Nuclear Débil, se manifiesta en la Emisión beta, ya que es la encargada de que un neutrón se desintegre y se
pueda liberar esta partícula. Es la segunda fuerza más débil (únicamente la fuerza gravitatoria es más débil que esta) y
de corto alcance (solo actúa a distancias del orden 10-15 m)
La Fuerza Nuclear Fuerte es la encargada de mantener unido los nucleones (protones y neutrones) dentro del núcleo.
Esta fuerza presenta tres características:
Es de gran intensidad (Es la más fuerte de las fuerzas fundamentales)
De corto alcance (solo actúa entre nucleones vecinos y a distancias del orden de 10-15 m)
La intensidad no depende de las partículas entre las que actúa; su valor es siempre igual independientemente de si
actúa entre dos protones, dos neutrones o un protón y un neutrón.
Estabilidad Nuclear
El comportamiento de las fuerzas anteriormente mencionadas dentro del núcleo, permite analizar el comportamiento
radiactivo de un núcleo.
La siguiente tabla permite relacionar el número de nucleones con la estabilidad de un Núcleo
De acuerdo a este cuadro, se puede observar por ejemplo que aquellos núcleos que presentan número par de protones
y número par de neutrones son ampliamente estables. Solamente hay Ocho núcleos estables que tienen número impar
tanto de protones como de neutrones, así como también una ligera estabilidad en aquellos núcleos que presenta un
número par de alguna de las partículas anteriormente mencionados.
Hay además otro efecto aún más específico relacionado con los números de protones y neutrones. Los núcleos que
tienen los números “mágicos” de protones y neutrones 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, son particularmente estables y
abundantes en la naturaleza.
NOTACIÓN NUCLEAR
En las reacciones nucleares, un núcleo puede perder o ganar protones o neutrones. Ahora, como el número de
protones es igual al número atómico, el cual identifica a un elemento, al aumentar o disminuir el número de protones,
cambia la identidad de un elemento.
Podemos representar las reacciones nucleares a través de ecuaciones, así como se hace con las reacciones químicas. En
las ecuaciones nucleares los reactantes y productos corresponden a núcleos, por lo cual se deben indicar
los isótopos de los elementos que están cambiando y produciéndose.
Para simbolizar un isótopo, se escribe el número másico (A) como superíndice y el número atómico (Z)
como subíndice. Estos números se anotan a la izquierda del símbolo del elemento (E).
Cuando caracterizamos un núcleo por su número atómico y su número másico lo llamamos núclido.
Comparación de las reacciones químicas con las reacciones nucleares.
Reacciones químicas
-Los átomos se reordenan por la ruptura y formación de
enlaces químicos.
-Sólo los electrones de los orbitales atómicos están implicados
en la ruptura y en la formación de los enlaces.
-Las reacciones van acompañadas por la absorción o liberación
de cantidades de energía relativamente pequeñas.
-Las velocidades de reacción se ven influidas por la
temperatura, la presión, la concentración y la presencia de
catalizadores.
Reacciones nucleares
-Los elementos (o los isótopos del mismo elemento) se
interconvierten los unos en los otros.
-Pueden implicarse protones, neutrones, electrones y otras
partículas elementales.
-Las reacciones van acompañadas por la absorción o
liberación de enormes cantidades de energía.
-Las velocidades de reacción generalmente no se ven
afectadas por la temperatura, la presión o los catalizadores.
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Emisiones radiactivas:
Cuando la radiación de la muestra de un elemento radiactivo,
como el radio (Ra), se somete a la acción de un campo
magnético, se comprueba que existen 3 tipos de emisiones
radiactivas.
Una parte de la radiación está formada por partículas alfa (α),
con carga positiva; por otra parte contiene partículas beta (β),
con carga negativa; y el resto de la radiación no se ve afectada
por el campo magnético ya que no tiene carga eléctrica: rayos
gamma (γ).
Las radiaciones α, β y γ se emiten a diferentes velocidades y tienen distintas capacidades de ionizar y penetrar la
materia. Los núcleos que emiten radiaciones se llaman radioisótopos.
Radiaciones alfa:
Consiste en un flujo de partículas formadas por 2 protones y 2
neutrones. Una partícula α tiene una masa de 4 uma y una carga igual
a +2 y es idéntica a un núcleo de helio (un átomo de helio sin sus 2
electrones); su símbolo es 4
2He.
Debido a que la masa y el volumen de las partículas alfa son
relativamente elevados, estas radiaciones viajan a una velocidad
menor que la radiación beta o gamma y, por lo tanto, tienen un poder
de penetración bajo.
Radiaciones beta:
También están constituidos por haces de partículas y se representan
como 0-1e. Las partículas β son idénticas a los electrones, es decir,
partículas de carga negativa. Corresponden a partículas 7000 veces
más pequeñas que las alfa y viajan a una velocidad cercana a la de la
luz, condición que le permite atravesar la malla de núcleos y
electrones de algunas clases de materia, en suma, poseen un poder de
penetración medio.
Radiaciones Gamma:
Son muy distintas de las radiaciones α y β. Es una radiación
electromagnética idéntica a la de la luz, pero con un contenido
energético muy superior. Estas propiedades hacen de los rayos gamma
sutiles “agujas”, desprovistos de masa, capaces de atravesar la materia y de realizar amplios recorridos sin encontrar
ningún obstáculo.
Ecuaciones nucleares
Los procesos radiactivos se representan por medio de ecuaciones nucleares.
Cuando un núcleo se convierte en otro, la masa comprometida en el proceso (la masa de los protones y neutrones) debe
ser la misma antes y después de la desintegración. Por lo tanto, la suma de los superíndices (número másico) y de los
subíndices (número atómico) debe ser igual en ambos lados de la ecuación.
· Desintegración alfa (Ley de Soddy):
Si el núcleo del átomo de un elemento radiactivo emite una partícula alfa, se origina otro nuevo elemento cuya masa
atómica ha disminuido en 4 unidades y su número atómico disminuye en 2 unidades.
Un ejemplo peculiar es el decaimiento del uranio-235, que se convierte en torio-231:
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· Desintegración beta (Ley de Fajans):
Los núclidos que se encuentran a la izquierda de la curva de estabilidad, con un exceso de neutrones, se estabilizan
mediante la emisión de negatrones, o partículas beta, convirtiendo un neutrón en un protón.
Los negatrones no son sino electrones, despedidos a enormes velocidades fuera de la atracción del núcleo. De esta
forma, uno de los neutrones del radionúclido experimenta la siguiente reacción:
Durante este proceso, el radionúclido eleva en una unidad su número atómico (pues cuenta con un protón adicional), y
mantiene constante su número de masa. Dicho de otra menera si el núcleo del átomo de un elemento radiactivo emite
una partícula beta, el nuevo elemento originado no experimenta variación en su masa atómica; pero su número atómico
aumenta en una unidad.
Un ejemplo particular es el torio-231, que se convierte en protactinio-23 1 por emisión beta:
· Desintegración gamma (γ):
Al igual que los electrones excitados de los átomos, que al volver a estados más estables emiten radiación
electromagnética, los núcleos inestables también pueden hacerlo, salvo que en este caso la radiación es mucho más
energética y se denomina gamma. El núclido no cambia su número atómico ni el de neutrones; simplemente reduce su
energía.
· Desintegración de un positrón (0+1e):
Si el núcleo de un átomo emite un positrón, el nuevo elemento originado no experimenta variación en su masa atómica,
pero su número atómico disminuye en una unidad.
El nuevo elemento se hallará situado hacia la izquierda del sistema periódico (un
casillero menos).
Vida media de los elementos radiactivos:
Para referirse a la velocidad con que ocurren las desintegraciones nucleares
utilizamos el concepto de vida media.
Llamamos vida media de un elemento al tiempo que necesita la mitad de los
átomos de una determinada muestra en sufrir una desintegración nuclear. La
vida media del Ra-226 es de 1600 años. El símbolo de vida media es λ.
Los radioisótopos al servicio de la humanidad
En el transcurso de los procesos efectuados en los reactores nucleares se obtienen isótopos radiactivos que se emplean
en innumerables ámbitos.
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Mejorar los cultivos de plantas alimenticias
Preservar los alimentos y madera
Esterilizar instrumental médico
Estudios de contaminación ambiental
El control de procesos industriales
El estudio de recursos hídricos
Combatir plagas
Diagnóstico médico
Producir radio fármacos
Terapia médica, etc.
En la industria, los trazadores radiactivos se introducen en un determinado proceso para detectar fugas de líquidos o
gases que se transportan a través de cañerías subterráneas como un oleoducto, descubrir caudales de fluido y si hay
filtraciones.
En el estudio del medio ambiente, se utiliza para la detección y análisis de contaminantes. La técnicas consiste en
irradiar una muestra, por ejemplo, de agua o suelo, de tal modo de obtener lo espectros gamma que emite, para
procesar la información en un computador. Así, se pueden identificar los elementos presentes en la muestra y las
concentraciones de los mismos.
En la agricultura los radioisótopos son utilizados en el estudio de la efectividad de los nutrientes sobre distintos cultivos.
Para tal efecto se hace uso de fertilizantes marcados con radioisótopos, los que se ponen en las plantaciones en tiempos
y lugares diferentes; así es posible determinar qué cantidad de nutrientes capta una planta y en qué época del año se
debe aplicar fertilizante para obtener mayor productividad. A partir de mutaciones genéticas inducidas por
radioisótopos, es posible lograr cultivas más resistentes a las plagas.
La radiactividad también puede ser utilizada para la datación de antigüedades, por ello esta técnica es muy útil para
arqueólogos y paleontólogos. El fechado con carbono – 14 se utiliza ampliamente para conocer la época en que
estuvieron vivos los fósiles de plantas y animales.
Fisión nuclear
En la fisión nuclear el núcleo fisionable es impactado por un neutrón,
partiéndose en dos núcleos más pequeños, los cuales son desprendidos
a altas velocidades.
Si este proceso continua, ocurre una reacción en cadena, la cual de no
ser controlada, puede ocasionar una gigantesca explosión.
Fusión nuclear:
Cuando núcleos muy ligeros se fusionan (unen) para formar núcleos
más estables, se generan cantidades inmensas de energía.
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Estas reacciones corresponden a la fusión nuclear y son el origen de la energía que produce el sol. La fusión parece ser
una fuente de energía bastante prometedora a causa de la disponibilidad de isótopos ligeros y porque el proceso no
elimina desechos radiactivos, es decir, no constituye una amenaza para el ambiente. Actualmente, para generar energía
no se ha empleado este método porque no se han conseguido las temperaturas requeridas para obtener una fusión
controlada, y por tanto, una liberación de energía también controlada.
Reactores nucleares:
Una de las aplicaciones pacíficas de la fisión nuclear es la generación de electricidad utilizando el calor producido por
una reacción en cadena, controlada en un reactor nuclear. El reactor nuclear es un sistema construido para controlar la
energía que se produce en la reacción en cadena y que impide el aumento indefinido de las fisiones. Consiste
básicamente, en una vasija en cuyo interior se deposita el combustible nuclear, que puede ser U- 235 o plutonio- 239.
Los componentes de un reactor son:
· Un material moderador, usualmente agua, que sirve para desacelerar los neutrones producidos en el proceso de fisión.
· Barras de control, elaboradas con cadmio o boro, que absorben los neutrones. Sin estas barras de control el calor
generado derretiría el corazón del reactor, liberando materiales radiactivos al ambiente.
· Un sistema de enfriamiento que absorbe el calor producido por la fisión nuclear y lo transfiere fuera del corazón del
reactor, transportándolo hacia un sistema donde se produce suficiente vapor de agua para hacer funcionar un
generador eléctrico.
· Un sistema de blindaje que evita la fuga de radiaciones al exterior del reactor.
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Estas reacciones corresponden a la fusión nuclear y son el origen de la energía que produce el sol. La fusión parece ser
una fuente de energía bastante prometedora a causa de la disponibilidad de isótopos ligeros y porque el proceso no
elimina desechos radiactivos, es decir, no constituye una amenaza para el ambiente. Actualmente, para generar energía
no se ha empleado este método porque no se han conseguido las temperaturas requeridas para obtener una fusión
controlada, y por tanto, una liberación de energía también controlada.
Reactores nucleares:
Una de las aplicaciones pacíficas de la fisión nuclear es la generación de electricidad utilizando el calor producido por
una reacción en cadena, controlada en un reactor nuclear. El reactor nuclear es un sistema construido para controlar la
energía que se produce en la reacción en cadena y que impide el aumento indefinido de las fisiones. Consiste
básicamente, en una vasija en cuyo interior se deposita el combustible nuclear, que puede ser U- 235 o plutonio- 239.
Los componentes de un reactor son:
· Un material moderador, usualmente agua, que sirve para desacelerar los neutrones producidos en el proceso de fisión.
· Barras de control, elaboradas con cadmio o boro, que absorben los neutrones. Sin estas barras de control el calor
generado derretiría el corazón del reactor, liberando materiales radiactivos al ambiente.
· Un sistema de enfriamiento que absorbe el calor producido por la fisión nuclear y lo transfiere fuera del corazón del
reactor, transportándolo hacia un sistema donde se produce suficiente vapor de agua para hacer funcionar un
generador eléctrico.
· Un sistema de blindaje que evita la fuga de radiaciones al exterior del reactor.
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