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Fenómenos Nucleares
Química- Plan comúnNivel: 4º medio
Karina Oñate Fuentes
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500 años AC Demócrito y
Leucipo
Fundan la Escuela Atomista Plantean la idea de ÁTOMO (a= sin, tomo= división)
2400 años después evidencias experimentales y el desarrollo natural del conocimiento
1808 Jhon Dalton propone la primera Teoría Atómica, representando al átomo como una esfera compacta indivisible e indestructible. El modelo se sustenta en 4 postulados.
Michael Faraday al realizar experiencias con ELECTRICIDAD propone la naturaleza eléctrica de la materia
1850 Williams Crookes al trabajar con tubos de descarga descubre los rayos catódicos
1886 Eugen Golstein al trabajar con tubos de descarga de cátodo perforado descubre los rayos canales los que posteriormente se llamaron protones
1895 Wilhelm Roentgen al trabajar con los rayos catódicos descubre los rayos X
1896 Henri Becquerel al estudiar la fluorescencia que emitía un mineral de Uranio (plechblenda) descubre casualmente la RADIACTIVIDAD, propiedad de los átomos de ciertos elementos a desintegrar su núcleo espontáneamente generando partículas y/o radiaciones. A estos elementos se les llamó Elementos Radiactivos y a esas emisiones se les llamó Emisiones Radiactivas (partículas alfa, partículas beta y rayos gamma). Dicha propiedad siguió siendo estudiada por Marie y Pierre Curie quienes aportaron nuevos elementos radiactivos el Ra y Po.
1897 Joseph Thomson al trabajar con los rayos catódicos, concluyó que estos rayos al ser afectados por un campo eléctrico-magnético y dirigirse hacia el ánodo debían ser partículas con carga negativa, las que posteriormente se llamaron ELECTRONES. Gracias a estas observaciones Thomson postula su modelo atómico de la materia conocido como el modelo del Budín de pasas.
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Modelos atómicos
John Dalton
Joseph Thomson
Ernest Rutherford
Niels Bohr
1. Los elementos están formados por pequeñas partículas indivisibles
2. Todos los átomos de un elemento poseen similares características y masa.
3. Existen átomos simples y átomos compuestos (moléculas).
1. Los átomos son divisibles.
2. Están constituidos por pequeños corpúsculos móviles (electrones) rodeados por una esfera de carga positiva uniforme.
1. El átomo está compuesto principalmente de espacio vacío.
2. Los electrones están orbitando alrededor de una estructura central con carga positiva (núcleo).
3. Los electrones se mueven en orbitas definidas.
Erwin Schroeding
er
1. La energía presente en los electrones los lleva a comportarse como ondas.
2. Los electrones se mueven alrededor del núcleo en zonas de mayor probabilidad.
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Estructura del núcleo atómico
Número Atómico (Z):• Número de protones del
átomo.• Indica el elemento al que
pertenece el átomo.
Número Másico (A):• Suma de protones y
neutrones del átomo.• Indica la masa del átomo
ZXA
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• Corresponden a átomos que tienen el mismo número atómico pero diferente número másico.
• Por ejemplo, existen tres isótopos de hidrógeno. Se conocen como hidrógeno, deuterio y tritio.
Isótopos
Solo 21 elementos poseen un
solo isótopo natural
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• Se denominan isóbaros a los distintos núcleos atómicos con el mismo número másico (A), pero diferente número atómico (Z).
• Las especies químicas son distintas, pero la cantidad de protones y neutrones es tal que, a pesar de ser distinta entre los dos isóbaros, la suma es la misma.
Isóbaros
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• Son átomos diferentes, por lo tanto, tienen diferente número atómico, también tienen diferente número másico, pero, tienen el mismo número de neutrones.
• Número de protones difiere entre átomos.
Isótonos
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Regla nemotécnica
ISÓTONOS
ISÓTOPOS
ISÓBAROS
Igual número de neutrones (N)
Igual número deprotones (P)
Igual númeromásico (A)
ISÓTONOS
ISÓTOPOS
ISÓBAROS
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Ejemplos
isótopos
isótopos
isótonos
isóbaros
H H 31
11
B N 125
147
C C 146
126
Pd Ag 10746
10747
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Propiedades del núcleo
Masa nuclear Tamaño nuclear Espín nuclear Fuerzas de interacción
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Masa nuclear
La masa está dada generalmente por el núcleo A mayor cantidad de nucleones, mayor masa
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Unidad de masa atómica
UMA : doceava (1/12) parte de la masa de un carbono-12.
Hidrógeno-I: 1,7 x 10-24 gUranio- 238: 4,1x 10-22 g
La masa promedio se calcula con el porcentaje de abundancia de los isótopos estables (pág 71)
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Ejercicio
El átomo de cloro, Cl-17, tiene dos isótopos con masas atómicas 35 uma y 37 uma. Los porcentajes de abundancia son 75,4% y 24,6%.
Calcular masa atómica promedio 35,49 uma
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Tamaño nuclear El volumen nuclear es proporcional a la cantidad de
nucleones y la dispersión de sus partículas
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Fuerzas nucleares Hay interacciones fuertes y débiles Tienen influencia al interior del núcleo Determinan la estructura del núcleo La interacción nuclear fuerte es la responsable de
mantener unidos a los nucleones (protones y neutrones) que coexisten en el núcleo atómico, venciendo a la repulsión electromagnética entre los protones que poseen carga eléctrica del mismo signo (positiva) y haciendo que los neutrones, que no tienen carga eléctrica, permanezcan unidos entre sí y también a los protones.
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Las partículas conocidas hasta ahora pueden explicarse por la combinación de partículas llamadas quarks
Existen partículas elementales y sus respectivas antipartículas
Hadrones (responden a interacciones fuertes) protón, neutrón, mesones
Leptones (no responden a interacciones fuertes, sin estructura interna) electrón, positrón
Quarks (constituyentes fundamentales de los hadrones)
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Energía y estabilidad nuclear
Algunos núcleos son inestables y se rompen emitiendo partículas y radiaciones
Hay una transformación del núcleo porque cambian el número de protones y neutrones
Este fenómeno se conoce como radiactividad
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Factores de estabilidad nuclear:
Relación protón/ neutrón
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Energía de ligadura de nucleones: Al medir la masa del núcleo y compararla con la de sus
nucleones por separado se descubrió que la masa del núcleo es menor que la suma de los nucleones que lo forman. Defecto de masa (∆ m)
E = m c2 Parte de la masa de los nucleones se transforma en
energía que los mantiene unidos.
Energía de ligadura (Eb): j
Eb: ∆ mc2
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Los isótopos estables tienen una relación neutrones / protones que está dentro de la “banda de estabilidad”. Se puede establecer que:
- Para los isótopos ligeros (masa atómica pequeña), la relación estable es de 1.
- Para los isótopos pesados aumenta hasta cerca de 1,5. - No existen isótopos estables para elementos químicos de número
atómico mayor a 83 (por ejemplo, el bismuto). Los isótopos que tienen una relación neutrones / protones mayor o
menor al “cinturón de estabilidad” son inestables y se descomponen espontáneamente por medio de un tipo de reacción nuclear.
Los núcleos inestables, producen reacciones químicas conocidas como descomposición radiactiva o desintegración.
Actividad pág. 361
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Henry Becquerel1852-1908
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Marie y Pierre Curie
Descubrieron que todos minerales del uranio son radiactivos
Polonio (Z=84) Radio (Z=88)
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Radiactividad
Notación nuclear: En las reacciones nucleares, un núcleo puede ganar o perder neutrones y protones
Las reacciones nucleares se pueden representar a través de ecuaciones
Se utiliza la notación núclido
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Radiación alfa
Flujo de partículas formadas por dos protones y dos neutrones
Tiene una masa de 4 uma y una carga +2 Tiene la estructura de un núcleo de Helio 4He2
Debido a su elevada masa y volumen, tienen bajo poder de penetración pero elevado poder ionizante
Viajan a 1/10 de la velocidad de la luz
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Radiación Beta
Haces de partículas con carga negativa -1 7000 veces más pequeñas que las alfa Tiene una masa de 0,00055 uma Viajan a una velocidad cercana a la luz Poseen un poder de penetración medio 0 e-1
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Radiación gamma
Radiación electromagnética idéntica a la luz, pero con contenido energético muy superior
Tiene alto poder de penetración Viaja a la velocidad de la luz
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Actividad: Completa el siguiente cuadro resumen
Nombre Símbolo Naturaleza Carga Masa (uma) Velocidad
Alfa
Beta
Gamma
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Actividad próxima clase
Reunirse en grupos de 5 personas y traer los materiales:
Caja de zapatos 100 monedas de 1 ó de 5 Cronómetro
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Estabilidad Nuclear: Actualmente se conocen alrededor de 1500 núcleos
diferentes de los que cerca de 300 son estables, es decir, no presentan tendencia a descomponerse con el transcurso del tiempo.
La estabilidad de un átomo está en función de la relación neutrones/protones que cambia con el número atómico. Esta relación tiene un valor próximo a uno para los elementos químicos ligeros, ( 6
12C, 714N y 8
16O )son estables.
A medida que aumenta el número atómico la relación neutrones/protones aumenta hasta cerca de 1.5 en los elementos químicos pesados, por ejemplo, 82
206Pb.
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Reacciones nucleares
Un núcleo inestable, llama núcleo padre, emite radiaciones en forma espontánea y se convierte en un núcleo estable, llamado núcleo hijo.
Está determinado por el número de protones y neutrones y la transformación mutua de las partículas
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Reacciones nucleares (decaimiento radiactivo)
Ocurre cuando un núcleo inestable, llamado núcleo padre, emite radiaciones transformándose en un núcleo estable llamado núcleo hijo.
Se ha comprobado experimentalmente que los núcleos estables tienen un número igual o casi igual de protones y neutrones, o cuando el número de protones y neutrones es un número par
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En las reacciones químicas los átomos se reordenan por la ruptura y formación de enlaces químicos, en los que sólo participan los electrones.
En las reacciones nucleares, los átomos se interconvierten los unos en los otros, implicando protones, neutrones y otras partículas elementales
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Tipos de decaimiento radiactivo:
Núcleos por sobre el cinturón de estabilidad: Neutrones > protones Necesita aumentar el número de protones
para estabilizarse Transforma neutrones en protones liberando
partículas negativas (0e-1) conocida como radiación beta negativa
234Th90 234Pa91 + 0e-1
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Núcleos por debajo del cinturón de estabilidad:
Protones > neutrones Se transforman protones en neutrones Se libera una partícula con carga positiva,
llamada radiación Beta positiva (0e+1)
22Na11 22Ne10 + (0e+1)
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Núcleos con Z mayor o igual a 83: Sufren decaimiento tipo alfa (4He2) Da origen a un núcleo hijo con A= A-4 y Z = Z-2
210Po84 206Pb82 + (4He2)
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Actividad 1.- Identifica a qué tipo de emisión corresponden las siguientes ecuaciones; señala cuáles son los elementos que interactúan y explica brevemente en qué consiste el proceso.
2.- Plantea la ecuación de decaimiento radiactivo de los siguientes elementos:a. U-238, que es un emisor de partículas α.b. K-40, que es un emisor de positrones (β+).