EMISIONES ATÓMICAS

LA BOMBA ATÓMICA La primera bomba atómica se lanzó el 16 de Junio de 1945 en el campo de pruebas de Trinity, cerca de Álamo Gordo (Nuevo México). Poseía una fuerza destructiva de 20 kilotones, equivalente a 20 toneladas de TNT. Contenía Uranio, igual que se lanzaría poco después sobre Hiroshima. Con el nombre de “little Boy” (chico pequeño), sólo necesitó convertir un gramo de masa (aunque toda la bomba pesara cuatro toneladas) para producir una potencia de 12,5 kilotones. Produjo la muerte de 120.000 personas de una población de 450.000 habitantes, causando otros 70.000 heridos. Tres días después cayó sobre Nagasaki “Fat Man” (hombre gordo), una bomba de Plutonio que duplicaba en potencia destructiva a la anterior, pero que causó 40.000 muertes y 25.000 heridos, además de varios miles que morirían después debido a heridas relacionadas, envenenamiento y radiación residual.

C U R S O: QUÍMICA COMÚN

MATERIAL QC N° 02

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LOS RAYOS X

En el año 1895 Wilhelm Röentgen descubre los rayos X. Estudiando las emisiones de luz de un tubo de descarga eléctrica observó que una pantalla cubierta con una sal fluorescente destellaba cada vez que conectaba el tubo de descarga.

Röentgen tenía claro que los rayos catódicos eran emisiones que no podían atravesar el tubo de vidrio, sin embargo y por alguna razón, una radiación “invisible” atravesaba las paredes e impactaba la pantalla. Comprobó también que el poder de penetración era sorprendente. Puso ciertos obstáculos entre la pantalla y la emisión (metales, madera, vidrio, etc.) y sin embargo, persistía la luminosidad. Supuso que era radiación de alta energía pero de naturaleza desconocida. Por esta razón le denominó radiaciones X. Más tarde en 1912 Max Von Laue determina la naturaleza electromagnética de los rayos X.

Propiedades de los rayos X

1. Son radiaciones electromagnéticas.

2. Se propagan en línea recta a la velocidad de la luz.

3. Es imposible desviar su trayectoria mediante una lente o prisma.

4. Son radiaciones ionizantes (ionizan gases).

5. Pueden destruir células vivas.

6. Atraviesan la materia.

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LA RADIACTIVIDAD

Descubierta en forma accidental en 1896 por el científico francés Antoine Henry Becquerel, la Radiactividad es una de las emisiones de energía atómica más sorprendentes y de mayor utilidad a la fecha. Estudiando un mineral de Uranio (pechblenda), Becquerel observó fosforescencia sin que el mineral hubiera sido expuesto previamente a la luz. Comprobó que el mineral emitía radiación capaz de velar una placa fotográfica. La física polaca Marie Curie; discípula de Becquerel, propone el término radiactividad para estas radiaciones espontáneas de partículas y energía. A fines de 1897 los esposos Curie (Pierre y Marie) descubren otros dos elementos radiactivos, el polonio (Po) y el radio (Ra). En 1902 Ernest Rutherford demuestra que la radiactividad genera transformaciones espontáneas y de este modo un elemento puede transformarse en otro. Finalmente en 1911 Marie Curie aísla el radio y obtiene su masa atómica, el descubrimiento le significa su segundo premio Nobel.

PROCESOS DE DESINTEGRACIÓN

Existen radiaciones de tipo natural y artificial. Las primeras se producen cuando un núcleo radiactivo espontáneamente emite radiación, debido a que se encuentra inestable (inestabilidad de masa, carga o energía). En cambio en las radiaciones de tipo artificial primero se desestabiliza el núcleo, por impacto con partículas subatómicas o por colisiones con otros núcleos. La forma de representar estos tipos de reacciones es la siguiente:

196 192 484 82 2Po Pb He→ + EMISIÓN ESPONTÁNEA � radiactividad natural.

27 4 30 113 2 15 0Al He P n+ → + EMISIÓN ARTIFICIAL � radiactividad artificial.

Emisiones radiactivas:

� Emisión de partículas alfa (α ) � Emisión de partículas beta ( β ) � Emisión de rayos gamma ( γ )

EMISIÓN ALFA ( 24

2

+He )

Corresponde a partículas formadas por 2 protones y 2 neutrones. Una partícula alfa tiene una carga +2 y 4 unidades de masa atómica (u.m.a). Son núcleos de Helio (un átomo de Helio sin sus 2 electrones). Debido a que la masa y el volumen de las partículas alfa son un poco elevados, la velocidad con la que viajan estas emisiones es menor a la de los rayos beta o gamma, es por ello que presentan un bajo poder de penetración.

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Ejemplo de emisión alfa es la transmutación del uranio-238

238 234 492 90 2U Th He→ +

Las partículas alfa, chocan con mucha facilidad con las moléculas que componen el aire y en cada colisión pierden parte de su energía hasta quedar detenidas o absorbidas por otro núcleo en su camino. Si las partículas chocan con los electrones periféricos de un átomo, estos pueden ser arrancados por los rayos alfa, provocando la ionización del átomo; en consecuencia las partículas alfa presentan un alto poder de ionizante. EMISIÓN BETA ( 0

1β− )

Son partículas con carga negativa idéntica a los electrones, es decir, con carga -1, viajan a una velocidad cercana a la de la luz, esta condición les permite atravesar la red de núcleos y de electrones de algunos tipos de materiales. Son mucho más penetrantes que las radiaciones alfa y se desvían frente a un campo electromagnético. Las emisiones beta provienen del núcleo, producto de la desintegración de un neutrón. El átomo que queda de la desintegración aumenta en 1 su número atómico, pero mantiene su número de masa (debemos mencionar que protón y neutrón poseen aproximadamente la misma masa, 1 u.m.a). Un ejemplo de desintegración beta es la del Torio-234:

234 234 090 91 -1Th Pa β→ +

EMISIÓN GAMMA (γ )

La naturaleza de los rayos gamma es muy distinta a la de los rayos alfa y beta. Es una radiación electromagnética idéntica a la de la luz, pero de alta energía y carente de masa. Estas propiedades de los rayos gamma hacen que se comporten como sutiles “agujas”, desprovistos de masa, capaces de atravesar la materia y de realizar amplios recorridos sin encontrar ningún obstáculo. Se conocen algunos isótopos que emiten rayos gamma de forma pura. La emisión gamma tiene lugar cuando un radioelemento existe en dos formas diferentes, los llamados isómeros nucleares, con el mismo número atómico y número másico pero distintas energías. La emisión de rayos gamma acompaña a la transición del isómero de mayor energía a la forma de menor energía. Un ejemplo de esta isomería es el isótopo protactinio 234, que existe en dos estados de energía diferentes, y en el que la emisión de rayos gamma indica la transición de uno al otro.

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γPaPa 23491

*23491 +→

En la emisión de rayos gamma no hay cambios en el número de protones y neutrones en el núcleo, por lo tanto, no hay transmutación (cambio en la identidad de un átomo). La diferencia entre la naturaleza de un átomo y otro está justificada en el núcleo atómico, pero precisamente en el número de protones. Dos o más átomos pueden tener distinta cantidad de neutrones en su núcleo pero seguirán siendo el mismo elemento, uno más “pesado que el otro”. Ahora bien, si la diferencia está en el número de protones, entonces serán absolutamente distintos.

DEFINICIONES IMPORTANTES EN RADIACTIVIDAD Número Atómico (Z) – número de Moseley Corresponde a la cantidad de protones que hay en el núcleo de un átomo, este número identifica e individualiza a un elemento. Si el átomo es neutro, el número atómico coincide con el número de electrones.

Notación representada: zX: 13Al ; 8O ; 92U Número de Masa o Número Másico (A) Se define número másico como la cantidad total de partículas presentes en el núcleo de un átomo (nucleones).

Notación representada: AX: 27Al ; 16O ; 238U De manera general se denota de la siguiente manera:

XAZ

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ISÓTOPOS Átomos cuyos núcleos tienen el mismo número de protones (Z) y diferente número de neutrones (distinto A). A pesar de esto, el comportamiento químico para los isótopos es el mismo. Ejemplos

168O 17

8O 188O

Z 8 8 8

n 8 9 10

A 16 17 18

En la tabla periódica vemos un valor promedio (peso atómico), para cada elemento y debe entenderse como tal, es decir, un valor medio de la abundancia isotópica para cada uno de ellos en la naturaleza. ISÓBAROS Átomos de elementos diferentes con el mismo número de partículas en el núcleo atómico (A). Ejemplos

4018Ar

4019K 40

20Ca

Z 18 19 20

n 22 21 20

A 40 40 40 ISÓTONOS Átomos de distintos elementos con igual cantidad de neutrones.

Ejemplo

7833As

7934Se

8035Br

Z 33 34 35

n 45 45 45

A 78 79 80

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IONES Y ÁTOMOS ISOELECTRÓNICOS Iones de diferentes elementos con igual cantidad de electrones. Ejemplo

2412Mg

+2 168O

-2

Z 12 8

n 12 8

A 24 16

e 10 10 Aprovechando esta nueva notación para describir a los átomos, analizaremos brevemente el comportamiento radiactivo y sus consecuencias.

FENÓMENOS RADIACTIVOS FUSIÓN NUCLEAR Corresponde a la unión de núcleos ligeros con formación de núcleos más pesados y liberación de energía.

La bomba de hidrógeno es la reacción de fusión más conocida:

Núcleos ligeros de deuterio y el tritio se combinan para originar núcleos más pesados.

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FISIÓN NUCLEAR Es la división de un núcleo pesado en un par de núcleos más livianos, proceso en el cual se libera gran cantidad de energía. Ejemplo:

→235 1 141 92 192 0 56 36 0U + n Ba + Kr + 3 n + ENERGÍA

Período de Semidesintegración o tiempo de vida medio (t½) Es el tiempo que tarda una muestra radiactiva en reducirse a la mitad de su masa, independiente de la cantidad de muestra radiactiva. Las vidas medias de los elementos alcanzan, desde una fracción de segundo, hasta miles de millones de años. Algunos ejemplos:

Isótopo radiactivo t½ C – 14 5.570 años Po-214 10-6 segundos U -238 4,56·109 años Ra-222 3,85 días Ac-228 6,2 horas Rn-220 55,3 segundos Th-234 24,5 días Ra-226 1.610 años

RADIOPROTECCIÓN

Dependiendo del tipo de emisión existen diferentes materiales para uso como blindaje, por ejemplo, las partículas alfa interaccionan con el medio absorbiéndose completamente. Su alcance es de unos pocos centímetros en el aire. Cualquier partícula alfa es completamente detenida por una hoja de papel o por la capa basal de la piel. Las partículas beta tienen mayor alcance que las partículas alfa y pueden ser absorbidos por materiales poco densos como el aluminio. Una característica particular es que, cuando se absorben por elementos de alto número atómico, como el plomo, producen radiación X de frenado. La radiación gamma es radiación de alta energía que puede ser blindada con bloques de hormigón.

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En el siguiente diagrama se observa ejemplos de estas radiaciones:

GLOSARIO

Deuterio: Isótopo del hidrógeno, se compone en el núcleo de 1 protón y un neutrón.

Emisión alfa: Partículas positivas con carga +2 y masa 4 uma.

Emisión beta: Partículas negativas con carga -1 y masa 0 uma.

Emisión gamma: Radiación electromagnética de alta energía, sin carga eléctrica, ni masa.

Fisión Nuclear: División de un núcleo muy pesado en un par de núcleos más ligeros con

liberación de energía.

Fusión Nuclear: La unión de núcleos ligeros con formación de núcleos más pesados y

liberación de energía.

Isobaros: Átomos de distinto elemento con idéntico número másico (A).

Isoelectrónico: Igual configuración o distribución electrónica.

Isotonos: Átomos cuyos núcleos presentan el mismo número de neutrones y distinto

número atómico (Z).

Isotopos: Átomos de un mismo elemento con distinta cantidad de neutrones.

Radiación: Propagación de energía en forma de onda electromagnética o corpúsculo a

través del vacío o de un medio material.

Radionuclido: Átomo o especie química con propiedades radiactivas

Rayos X: Radiación electromagnética de la misma naturaleza que las ondas de radio,

capaz de atravesar cuerpos opacos y de impresionar películas fotográficas.

Transmutación: Cambio en la identidad de un átomo (cambio en el número atómico).

Vida media: Tiempo promedio que transcurre para que una muestra radiactiva emita

radiaciones hasta quedar en la mitad de su masa inicial.

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TEST EVALUACIÓN MÓDULO 02

1. Una partícula Alfa se compone de

Nº Protones Nº Neutrones

A) 1 1 B) 2 2 C) 2 4 D) 4 2 E) 4 4

2. Si un átomo radiactivo emitiera únicamente partículas beta negativas ( β− ), entonces

A) disminuiría el número de partículas en el núcleo. B) transmutaría a un átomo más liviano. C) disminuiría su número de electrones. D) aumentaría su número atómico. E) disminuiría su número de protones.

3. En la siguiente reacción nuclear, la partícula X emitida presenta

Li63 + n1

0 → H31 + X

Z A

A) 1 2 B) 1 3 C) 2 4 D) 2 3 E) 4 2

4. Para la siguiente notación química 11112323232311111111NaNaNaNa+ , la única opción correcta es

Protones Neutrones Electrones Nº másico A) 10 11 10 23 B) 11 12 10 23 C) 12 23 11 10 D) 23 11 12 10 E) 11 11 11 23

5. Si un elemento químico presenta 12 electrones y 13 neutrones, entonces los valores para Z y

A (números atómico y másico respectivamente) deben ser

A) 12 y 25 B) 13 y 13 C) 12 y 13 D) 13 y 12 E) 12 y 12

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6. 2 o más átomos isótopos entre sí deben poseer

Igual Distinto

A) Nº protones Nº electrones B) Nº neutrones Nº protones C) Nº electrones Nº másico D) Nº másico Nº atómico E) Nº protones Nº neutrones

7. El Deuterio a diferencia del Tritio

A) es más radiactivo. B) no tiene protones. C) tiene más neutrones D) es un átomo más liviano. E) presenta menos electrones.

8. En los procesos de fisión nuclear siempre ocurre que

I) un núcleo inestable se desintegra emitiendo energía. II) se evidencia transmutación en el núcleo que se desintegra. III) los núcleos que se generan presentan menor masa que el núcleo inicial.

De las anteriores es (son) correcta(s)

A) Sólo I. B) Sólo II. C) Sólo III. D) Sólo I y II. E) I, II y III.

9. 2 o más átomos isóbaros presentan

A) distinto número atómico y distinto número másico. B) distinto número atómico e igual número másico. C) igual número atómico y distinto número másico. D) igual cantidad de electrones y neutrones. E) igual número atómico y másico.

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10. La siguiente gráfica evidencia el decaimiento radiactivo de cierta masa de radionuclido con

respecto al tiempo (en días). Tomando como masa inicial una muestra de 20 gramos, se deduce que el tiempo de vida medio (t½) para el radionuclido es de

20

0

10

15

5

8 16 32

Gramos de radioisótopo

Tiempo (días)

A) 4 días. B) 8 días. C) 16 días. D) 32 días. E) 64 días.

MON-QC02