24_reacciones nucleares, silberberg
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SILBERBERG capitulo 24TRANSCRIPT
Capítulo 24: Reacciones nucleares y sus aplicaciones
24.1 Decaimiento radiactivo y estabilidad nuclear
24.2 La cinética del decaimiento radiactivo
24.3 Transmutación nuclear: Cambios inducidos en el núcleo
24.4 Los efectos de la radiación nuclear sobre la materia
24.5 Aplicaciones de los radioisótopos
24.6 La interconversión de masa y energía
24.7 Aplicaciones de la fisión y la fusión
Comparación de reacciones químicas y nucleares
Reacciones químicas Reacciones nucleares
Tabla 24.1
1. Una sustancia se convierte en otra, pero los átomos nunca cambian su identidad
1. Los átomos de un elemento típicamente se convierten en átomos de otro elemento.
2. Los electrones en los orbitales participan en el rompimiento y formación de enlaces; las partículas no toman parte
2. Participan protones, neutrones y otras partículas; los electrones en los orbitales raramente toman parte.
3. Las reacciones se acompañan de cambios de energía relativamente pequeños y cambios de masa no detectables
3. Las reacciones se acompañan por cambios de energía relativamente grande y cambios medibles en la masa.
4. Las velocidades de reacción cambian debido a la temperatura, la concentración, la catálisis y el compuesto en que se encuentra el elemento
4. Las velocidades de reacción se afectan por el número de núcleos, pero no por la temperatura, el catalizador o el compuesto en que se encuentra el elemento
Propiedades de las partículas fundamentales
• Partícula Símbolo Carga Masa
• (x10-19 coulombs) (x 10-27 kg)
• Protón p +1.60218 1.672623
• Neutrón n 0 1.674929
• Electrón e -1.60218 0.0005486
ESTABILIDAD NUCLEARTipos de decaimiento radiactivo
• Decaimiento alfa: isótopos pesados: 42He2+ o
• Decaimiento beta: isótopos ricos en neutrones: e– o
• Decaimiento de positrón: isótopos ricos en protones: • Captura de electrón: isótopos ricos en protones: rayos x• Emisión de rayos gamma (: decaimiento
de un núcleo en estado excitado• Fisión espontánea: isótopos muy pesados
Fig. 24.1
El comportamiento de tres tipos de emisión radiactiva en un campo eléctrico
Pantalla cubierta de ZnS(o placa fotográfica)
Materialradiactivo
Fuentede voltaje
Bloquede plomo
(p. 1046)
Decai-miento
Decai-miento
Emisión de positrón
Capturadeelectrón
Emisión
Fotónderayos x
Absorbido de un orbital
de baja energía
Reactante (padre)
Producto (hija)
expelido
expelidoen el núcleo en el núcleo
en el núcleo en el núcleo positrón expelido
en el núcleo en el núcleo
núcleoexcitado
núcleoestable
Fotón radiado
* Los neutrinos () están presentes en varios de estos procesos pero no se muestran
Tipo Emisión Proceso de decaimiento
Cambio enTipo de decaimiento radiactivo*Tabla 24.2
Decaimiento alfa–Elementos pesados• 238U 234Th + + e
t1/2 = 4.48 x 10 9 años
• 210Po 206Pb + + e
t1/2 = 138 días
• 256Rf 252No + + e
t1/2 = 7 ms
• 241Am 237Np + + e
t1/2 = 433 días
Decaimiento beta–Emisión de electrones
• n p+ + + energía
• 90Sr 90Y + + energía
t1/2= 30 años
• 14C 14N + + energía
t1/2= 5730 años
• 247Am 247Cm + + energía
t1/2= 22 min
• 131I 131Xe + + energía
t1/2 = 8 días
Captura de electrón–Emisión de positrones
p+ + e– n + energía = Captura de electrón
p+ n + e+ + energía = Emisión de positrón
51Cr + e– 51V + energía t1/2 = 28 días
7Be 7Li + + energía t1/2 = 53 días
177Pt + e– 177Ir + energía t1/2 = 11 s
144Gd 144Eu + + energía t1/2 = 4.5 min
Fig. 24.2
Gráfica de neutrones contra
protones para núcleos estables
Región mostrada en B
Protones (Z)
Protones (Z)
Emisión de positrón y/o captura de electrón
Neu
tro
nes
(N
)
Neu
tro
nes
(N
)
Decaimiento
Decai-miento Estable
Emisor
Emisor Captura de e– y/o emisión de posición
Número de núclidos estables para elementos del 48 al 54
Número número deElemento atómico (Z) núclidos
Cd 48 8
In 49 2
Sn 50 10
Sb 51 2
Te 52 8
I 53 1
Xe 54 9
Tabla 24.3 (p. 1068)
Distribución de núclidos estables
• Protones Neutrones Núclidos %
estables
• Par Par 157 58.8
• Par Impar 53 19.9
• Impar Par 50 18.7
• Impar Impar 7 2.6
267 100.0%Total =
(c.f. Tabla 24.4, p. 1069)
La serie de decaimiento del 238U
Fig. 24.3
decaimiento
decaimiento
Neu
tro
nes
(N
)
Protones (Z)
Series de decaimiento de isótopos existentes
40K 40Ar t1/2 = 1.29 x 109 años
232 Th 208 Pb t1/2 = 1.4 x 1010 años
235U 207 Pb t1/2 = 7 x 108 años
238U 206 Pb t1/2 = 4.5 x 109 años
Serie de decaimiento natural del uranio-238
238U 234 Th 234Pa
234U 230 Th 226Ra 222Rn 218Po 214Pb 218At 214Bi 210 Tl
214Po 210Pb 206Hg
210Bi 206Tl
210 Po 206Pb
238U: 8 decaimientos y 6 decaimientos dan por resultado 206Pb
= decaimiento
= decaimiento
Serie de decaimiento natural del uranio-235
235U 231 Th
231Pa 227Ac 223Fr 219At 215Bi
227 Th 223Ra 219Ra 215Po 211Pb
215At 211Bi 207 Tl
211Po 207Pb
= decaimiento
= decaimiento
235U: 8 decaimientos y 4 decaimientos da por resultado 207Pb
Serie de decaimiento natural del torio-232
232 Th 228Ra
228Ac
228 Th 224Ra 220Rn 216Po 212Pb
212Bi 208Tl
212Po 208Pb
= decaimiento
= decaimiento
232 Th: 7 decaimientos y 4 decaimientos dan por resultado 208Pb
Fig. 24.A
Detección de la radiactividad por uncontador de ionizaciónPartículaemitida
Muestra
Fuentede voltaje
Hacia elánodo (+)
Hacia elcátodo (–)
Amplificadory contador
Película
Gas argón
Fig. 24.4
Disminución en el número de núcleos de 14C sobre tiempo
Número de núcleos al tiempo t
Número inicial de núcleos
Número de vidas medias
Después de la 1a. vida media (5 730)
Después de la 2a. vida media (11 460)
Después de la 3a. vida media (17 190)
Tiempo (años)
Nú
me
ro d
e n
úcl
eo
s d
e 1
4 C (N
)
Constantes de decaimiento (k) y vidas medias (t1/2) de isótopos de berilioNúclido k t1/2
74Be 1.30 x 10-2/día 53.3 día
84Be 1.0 x 1016/s 6.7 x 10-17s
94Be Estable
104Be 4.3 x 10-7/años 1.6 x 106 años
114 Be 5.02 x 10-2/s 13.8 s
Tabla 24.5 (p. 1073)
Fechado de radiocarbono para determinar la edad de los artefactos
Fig. 24.5
Carbón vegetal de la primera cultura polinésica en HawaiiEnvolturas de lino del Libro de Isaías, rollos del Mar Muerto
Carbón vegetal del primer asentamiento en Japón
Árbol quemado por la erupción que creó el Lago Cráter, Oregon
Huesos de bisonte quemados asociados con el hombre Folsom, encontrado en Lubbock, Texas
Sitio de transición Mesolítica-Neolítica, Cueva Belt, Irán
Carbón vegetal de las cuevas de Lascaux, Francia, sitio de pinturas rupestres (véase fondo)
Huesos quemados de un perezoso en una cueva chilena. Primer rastro de la presencia humana en Sudamérica
Edad (años)
Lo
ga
ritm
o n
atu
ral
de
la
ac
tiv
ida
d e
sp
ec
ífic
a
Fig. 24.6A
Un acelerador lineal
Fuentesde voltajealternado
Al vacío
Al vacíoprotones
Fuente de
El acelerador ciclotrón
Fig. 24.7
Fuente de voltaje alternado
Cámara evacuada
Blanco
“Des”
Imán (el imánsuperiorno se muestra)
Ruta del haz de protones
Fuente deprotones
Formación de algunos núclidos transuránicos
Reacción Vida media del producto
23994Pu + 4
2He 24095Am + 1
1H + 2 10n 50.9 h
23994Pu + 4
2He 24296Cm + 1
0n 163 días
24496Cm + 4
2He 24598Bk + 1
1H + 2 10n 4.94 días
23892U + 12
6C 24698Cf + 4 1
0n 36 h
25399Es + 4
2He 256101Md + 1
0n 76 min
25298Cf + 10
5B 256103Lr + 6 1
0n 28 s
Tabla 24.6 (p. 1059)
Fig. 24.8
Poder de penetración de las emisiones radiactivas
Unidades de dosis de radiación
rad = dosis de radiación-absorbida La cantidad de energía absorbida por kilogramo de tejido: 1 rad = 1 x 10–2 J/kg
rem = equivalente Roentgen para el hombre La unidad de dosis de radiación para un hombre:
1 rem = 1 rad x RBE
RBE = 10 para RBE = 1 para rayos x, y
Ejemplos de dosis de radiación típicas de fuentes naturales y artificiales (1)
Fuente de radiación Exposición promedio de un adulto
Radiación cósmica 30-50 mrem/añosRadiación de la tierra De suelo de arcilla y rocas ~25-170 mrem/años En casas de madera 10-20 mrem/años En casas de ladrillo 60-70 mrem/años En casas de concreto ligero 60-160 mrem/añosRadiación del aire (sobre todo radón) Al aire libre, valor promedio 20 mrem/años En casa de madera 70 mrem/años En casas de ladrillo 130 mrem/años En casas de concreto ligero 260 mrem/añosRadiación interna de minerales en agua potable e ingesta diaria en los alimentos ~40 mrem/años ( 40K, 14C, Ra)
Natural
Tabla 24.7 (p. 1081)
Ejemplos de dosis de radiación típicas de fuentes naturales y artificiales (2)
Fuente de radiación Exposición promedio de un adulto
Métodos de diagnóstico por rayos-X Pulmón (local) 0.04-0.2 rad/película Riñón (local) 1.5-3.0 rad/película Dental (dosis a la piel) ≤ 1 rad/películaTratamiento de radiación terapéutica localmente ≤ 10,000 radOtra fuentes Vuelo de jet (4 h) ~1 mrem Prueba nuclear < 4 mrem/años industria de energía nuclear < 1 mrem/años
Valor promedio total 100-200 mrem/años
Artificial
Tabla 24.7 (p. 1081)
Efectos agudos de una dosis única de radiación en todo el cuerpo (1)
Dosis Lethal Dose(rem) Efecto Población (%) No. de días
5-20 Posible efecto tardío; posibles — — aberraciones cromosómicas20-100 Reducción temporal en los — — glóbulos blancos sanguíneos50+ Esterilidad temporal en hombres — — (100+ rem = 1 año de duración)100-200 “Mareo ligero de radiación”: vómito, diarrea, cansancio en algunas horas Reducción de la resistencia a infecciones Posible retardo en el crecimiento de huesos en niños
Tabla 24.8 (p. 1082)
Dosis Dosis letal(rem) Efecto Población (%) No. de días
300+ Esterilidad permanente — —en mujeres
500 “Mareo serio de radiación”: 50-70 30 destruccción de
médula/intestino400-1000 Enfermedad aguda, 60-95 30
muertes tempranas3000+ Enfermedad aguda, muerte 100 2 en horas a días
Tabla 24.8 (p. 1082)
Efectos agudos de una dosis única de radiación en todo el cuerpo (2)
(p. 1083)
Modelo de riesgo de radiación
Efe
cto
(m
uer
tes
po
r cá
nce
r)
Dosis
Forma
de S
Lineal
ENERGÍA NUCLEAR• ECUACIÓN DE EINSTEIN
PARA LA CONVERSIÓN DE MASA EN ENERGÍA
• E = mc2
• m = masa (kg) • c = Velocidad de la luz
• c = 2.998 x 108 m/s
Fig. 24.12
La variación de la energíade enlace por nucleó
Región de núclidosmuy estables
FisiónFusión
En
erg
ía d
e en
lace
po
r n
ucl
eón
(M
eV)
Número de masa (A)
Unidades para los cálculos de energía nuclear
Electrón volt (ev) La energía que un electrón adquiere cuando se mueve a través de una diferencia de potencial de un volt:
1 ev = 1.602 x 10–19J
Las energías de enlace se expresan generalmente en unidades de megaelectrón volts (Mev)
1 Mev = 106 ev = 1.602 x 10 –13J
Un factor particularmente útil convierte un defecto de masa determinado en unidades de masa atómica a su energía equivalente en electrón volts:
1 uma = 931.5 x 106 ev = 931.5 Mev
Energía de enlace por nucleón de deuterio
El deuterio tiene una masa de 2.01410178 uma.
Átomo de hidrógeno = 1 x 1.007825 uma = 1.007825 uma Neutrones = 1 x 1.008665 uma = 1.008665 uma 2.016490 uma
Diferencia de masa = masa teórica – masa real = 2.016490 uma – 2.01410178 uma = 0.002388 uma
Cálculo de energía de enlace por nucleón:
Energía de enlace –0.002388 uma x 931.5 Mev/ uma Nucleón 2 nucleones
= –1.1123 Mev/nucleón
=
Cálculo de energía de enlace por nucleón de hierro- 56
La masa del hierro-56 es 55.934939 uma; contiene 26 protones y 30 neutronesMasa teórica del Fe-56 :Masa atómica de hidrógeno = 26 x 1.007825 uma = 26.203450 uma Masa del neutrón = 30 x 1.008665 uma = 30.259950 uma 56.463400 uma
Defecto de masa = masa real – masa teórica: 55.934939 uma – 56.463400 uma = –0.528461 uma
Cálculo de la energía de enlace por nucleón:
Energía de enlace –0.528461 uma x 931.5 Mev/ uma Nucleón 56 nucleones
=
= -8.7904 Mev/nucleón
Cálculo de energía de enlacepor nucleón para el uranio-238
La masa real del uranio-238 = 238.050785 uma; tiene 92 protones y 146 neutrones
Masa teórica del uranio-238: Masa atómica de hidrógeno = 92 x 1.007825 uma = 92.719900 uma Masa del neutrón = 146 x 1.008665 uma = 147.265090 uma 239.98499 uma
Defecto de masa = masa real – masa teórica: 238.050785 uma – 239.98499 uma = –1.934205 uma
Cálculo de la energía de enlace por nucleón:
Energía de enlace –1.934205 uma x 931.5 Mev/uma Nucleón 238 nucleones
=
= -7.5702 Mev/nucleón
Masa y energía en el decaimiento nuclear (1)
Considere el decaimiento alfa de 212Po t1/2 = 0.3 s
212Po 208Pb + + energía
211.988842 g/mol 207.976627 g/mol + 4.00151 g/mol
Productos = 207.976627 + 4.00151 = 211.97814 g/mol
Masa = Po – Pb + = 211.988842 –211.97814 0.01070 g/mol
E = mc2 = (1.070 x 10-5 kg/mol)(3.00 x 108m/s)2
= 9.63 x 1011 J/mol
9.63 x 1011 J/mol6.022 x 1023 átomos/mol
= 1.60 x 10-12J/átomo
Masa y energía en el decaimiento nuclear (2)
La energía para el decaimiento del 212Po es 1.60 x 10-12J/átomo
1.60 x 10-12J/átomo1.602 x 10-19 J/ev
= 1.00 x 107 ev/átomo
10.0 x 106 ev 1.0 x 10-6 Mev átomo ev
x = 10.0 Mev/átomo
La energía de decaimiento para la partícula alfa de 212Po es 8.8 Mev.
Fig. 24.13
Fisión inducida 235U
Núcleofisionable
Intermediarioinestable
Productosde fisión
ENERGÍA
Fig. 24.14
Una reacción en cadena de 235U
Fig. 24.15B
Un reactor nuclear de agua ligera
Capa decontención
Núcleo del reactorVarillas de control que regulan la velocidad de la reacción en cadena
Moderador Uranio enriquecido en varillas cobustibles que liberan energía de la fisión
Agua extremadamente caliente bajo alta presión pasa a un generador de vapor
El vapor producido opera la turbina del generador
El agua fría de una fuente cercana condensa el vapor y se calienta
Podereléctrico
Condensador de vapor
Salida delíquidorefrigerante
Entrada de líquidorefrigerante
Generadorde vapor
Turbina Generador
Bomba
Bomba
Bomba
Fisión inducida por neutrones: bombas y reactores
Hay tres isótopos con largas vidas medias suficientes y muestras representativas de fisión conocidos por sufrir la fisión inducida por neutrones y son muy útiles en reactores de fisión y en armas atómicas. De éstos, sólo uno existe naturalmente (235U con una abundancia de 0.72% de uranio natural) y es el isótopo que se utiliza en los reactores nucleares como combustible y en algunas armas.
Los tres isótopos son los siguientes:
233U t1/2 = 1.59 x 105 años fisión sigma = 531 barns
235U t1/2 = 7.04 x 108 años fisión sigma = 585 barns
239Pu t1/2 = 2.44 x 105 años fisión sigma = 750 barns
“Reproducción” de combustible nuclear
Hay dos isótopos pesados relativamente comunes que no sufren la fisión inducida por neutrones y que se utilizan para producir otros isótopos que sí pueden ser inducidos a la fisión, por tanto, pueden usarse como Combustible en un reactor nuclear.
El torio natural 232 T que es común en las rocas.
232 Th + 10n 233 Th + energía t1/2 = 22.3 min
233 Th 233Pa + + energía t1/2 = 27.0 días 233Pa 233U + + energía t1/2 = 1.59 x 105 años
El uranio natural 238U que también es común en las rocas.
238U + 10n 239U + energía t1/2 = 23.5 min
239U 239Np + + energía t1/2 = 2.36 días 239Np 239Pu + + energía t1/2 = 24400 años
El hidrógeno arde en las estrellasy en las armas nucleares
1H + 1H 2H + + 1.4 Mev
1H + 2H 3He + 5.5 Mev
2H + 2H 3He + 1n + 3.3 Mev
2H + 2H 3H + 1H + 4.0 mev
2H + 3H 4He + 1n + 17.6 Mev 2H + 3He 4He + 1H + 18.3 Mev
1H + 7Li 4He + 4He + 17.3 Mev
¡Muy viable!
¡Gran muestra
representativa!
12C + 4He 16O
16O + 4He 20Ne
20Ne + 4He 24Mg
24Mg + 4He 28Si
28Si + 4He 32S
32S + 4He 36Ar
36Ar + 4He 40Ca
El helio en las reacciones de combustión de las estrellas
Síntesis de elementos en el ciclo de vida de una estrella
Fig. 24.C (p. 1095)
Polvo cósmico
Polvo cósmico coalescente
Los desechos de la supernova finalmente terminan en estrellas de segunda generación
Estrella primitiva coalescente quema hidrógeno a 107 K
La estrella empieza a quemar He y causa la expansión de un gigante rojo. El núcleo del gigante rojo quema He para formar 12c, 16O, 20Ne, 24Mg a 2 x 108 K
El núcleo del supergigante rojo quema carbono y oxígeno para formar núcleos hasta el 40Ca 7 x 108 K. Calentamiento adicional a 3 x 109 K forma los núcleos hasta el 56Fe y 58Ni.
El núcleo se colapsa para formar una estrella neutrón, mientras las capas exteriores explotan en una supernova. El proceso de captura de neutrones forma núcleos más pesados
Estrella neutrón
El diseño del tokamak para contenerla fusión del plasma
Fig. 24.16
Contenedorevacuadopor plasma
Plasma Imanes