2013

QUÍMICA COMÚN

QC-02

EM I S I O N E S RA D I A C T I V A S

2

INTRODUCCIÓN

En química nuclear se estudian las reacciones que implican modificaciones en el núcleo de los

átomos. La ciencia como tal comenzó con el descubrimiento de la Radiactividad (Henry

Becquerel) y los posteriores estudios realizados por los esposos Curie. Hoy en día es una ciencia

controversial, sus fines bélicos y los accidentes en centros nucleares (reactores) han puesto en

tela de juicio los beneficios de la radiactividad para el hombre. La fabricación de bombas

nucleares, bombas de hidrógeno, de neutrones y la complejidad en el tratamiento de desechos

radiactivos han movilizado por años a entidades ligadas al medio ambiente y gobiernos a

replantearse el uso masivo de la energía nuclear.

A pesar de lo anterior, su uso pacífico ha contribuido enormemente en campos como la medicina,

la agricultura y la paleontología. Junto con ello, los reactores de energía han permitido convertir

eficientemente la energía nuclear en energía eléctrica a un costo menor y sin el uso indiscriminado

de combustible fósil.

CONCEPTOS PRELIMINARES

Las emisiones atómicas y los efectos de la radiación serán tratados en este capítulo. Ya se

analizaron los principales modelos atómicos de modo que la comprensión del fenómeno de la

radiactividad se hará más sencilla. En esta guía se anexa además el descubrimiento de los rayos X

y algunos conceptos preliminares que simplifican el análisis.

DEFINICIONES

NÚMERO ATÓMICO (Z)

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).

El número másico es adimensional, no indica la masa de un átomo, sólo el número de partículas

(neutrones y protones), de modo que para calcular la masa de los átomos debe considerarse su

abundancia en la naturaleza.

A = Z + n

3

ISÓTOPOS

Los isótopos son átomos de un mismo elemento que difieren en el número de neutrones. Por lo

tanto, los isótopos de un elemento deben presentar el mismo número atómico (Z).

Los isótopos de un elemento tienen distinto número másico (A), de modo que la masa contenida

en el núcleo también es distinta. A pesar de esta diferencia, todos los isótopos de un elemento

presentan el mismo comportamiento químico (coinciden en el número de electrones)

Ejemplos: 16 17 188 8 8O ; O ; O isótopos del oxígeno

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.

ISOBAROS Son átomos de elementos distintos con el mismo número de partículas en el núcleo (igual A). Los

isobaros coinciden sólo en el número A, no presentan el mismo comportamiento químico y

tampoco tienen la misma cantidad de electrones.

Ejemplos: 146 C y 14

7 N

ISOTONOS

Átomos de distintos elementos con igual cantidad de neutrones.

Ejemplos: 31 H y 4

2He

IONES Y ÁTOMOS ISOELECTRÓNICOS

Iones de diferentes elementos con igual cantidad de electrones.

Ejemplos: 24

12Mg+2 y 16

8O-2

LOS RAYOS X

En el año 1895 Wilhelm Röentgen descubrió 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. Sólo en 1912 el físico alemán Max Von

Laue determinó la naturaleza electromagnética de los rayos X.

4

Explicación al fenómeno:

Los rayos X que descubrió Röentgen se generan en el interior de un tubo de descarga, cuando

colisiona un haz de rayos catódicos con un blanco metálico (trozo de metal) dispuesto entre

ambos electrodos. Los electrones provenientes del rayo catódico inciden sobre el metal, excitando

sus propios electrones, generando una radiación de frenado de alta frecuencia denominada rayo

X.

PROPIEDADES DE LOS RAYOS X

5

EL FENÓMENO DE LA RADIACTIVIDAD

La Radiactividad fue descubierta en forma accidental en 1896 por el científico francés Antoine

Henry Becquerel. 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 (propiedad de ciertos materiales que les permite absorber energía y emitirla

luego en forma de radiación) sin que el mineral hubiera sido expuesto previamente a la luz.

Comprobó que el mineral emitía radiación capaz de marcar una placa fotográfica.

Al igual que los rayos X, los rayos provenientes del mineral pechblenda eran de alta energía y fue

imposible desviarlos con un campo electromagnético externo. Sin embargo, diferían de los rayos

X, puesto que se emitían de manera espontánea del material de uranio.

Marie Curie y su esposo Pierre, comenzaron a estudiar el fenómeno y descubrieron que otros

minerales tenían la misma propiedad que la pechblenda. Determinaron que el fenómeno era

exclusivo del núcleo de los átomos.

En 1902 Ernest Rutherford demostró que la radiactividad generaba transformaciones espontáneas

y de este modo un elemento puede transformarse en otro. En 1903 Marie, Pierre y Becquerel

recibieron el Nobel de Física por el descubrimiento de la radiactividad natural. Finalmente en 1911

Marie Curie aisló el Radio y obtuvo su masa atómica, el descubrimiento le significó un segundo

premio Nobel.

DESINTEGRACIÓN DEL NÚCLEO

Cuando un átomo se encuentra inestable en el núcleo, emite radiaciones de forma espontánea.

Muchas veces, también, es estable nuclearmente pero es posible inducir artificialmente

radiactividad bombardeándolo con partículas. Esto se hace regularmente en los reactores

nucleares con átomos livianos que no son radiactivos. En ambos casos, el fenómeno ocurre con

liberación de energía y los núcleos hijos generados son siempre más estables que el predecesor.

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.

6

Se conocen comúnmente 3 tipos de emisiones radiactivas, todas acompañadas de liberación de

energía:

Emisión de partículas alfa ( )

Emisión de partículas beta ( )

Emisión de rayos gamma ( )

EMISIÓN ALFA ( 4 +2

2He ):

Son partículas con carga positiva +2 y 4 unidades de masa atómica. Corresponden a núcleos de

Helio y presentan bajo poder de penetración en la materia, pero gran capacidad ionizante

238 234 4

92 90 2U Th + He

EMISIÓN BETA ( 0

-1e)

Son partículas con carga negativa (electrones) que viajan a gran velocidad. Se desvían frente a un

campo electromagnético y son mucho más penetrantes que las radiaciones alfa. Las emisiones

beta provienen del núcleo producto de la desintegración de un neutrón. De modo que el núcleo

que las emite aumenta en 1 su número atómico (un neutrón se transforma en protón) y mantiene

constante su número de masa (debemos mencionar que protón y neutrón tienen masas similares,

1 uma).

234 234 0

-190 91Th Pa + e

EMISIÓN GAMMA ( )

Corresponde a radiación electromagnética de alta energía y que no presenta masa. La emisión

gamma tiene lugar cuando un radioelemento existe en 2 formas distintas (isómeros nucleares),

ambos con el mismo número atómico y número másico pero con diferente energía. La emisión de

rayos gamma acompaña a la transición del isómero de mayor energía a la forma estable. Un

ejemplo de esta isomería es el isótopo protactinio 234 (Pa), que existe con 2 estados de energía

diferentes, y en el que la emisión de rayos gamma indica la transición de uno al otro.

234 *

91

23491Pa Pa+

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).

7

TRANSMUTACIÓN

La transmutación es un fenómeno donde un átomo se transforma en otro, por cambio en el

número de protones. Esta transformación puede ser natural cuando un átomo emite radiaciones

y o cuando se bombardea con neutrones un átomo que no es radiactivo. El nuevo elemento

puede ser también radiactivo y seguirá emitiendo hasta transformarse en otro, tantas veces,

como sea necesario. Lo anterior se conoce como serie radiactiva natural.

ESTABILIDAD NUCLEAR

Como ya se ha visto, es muy común que los elementos presenten isótopos, o sea, que existan

varios átomos del mismo elemento con distinta masa (A).

En radiactividad se utiliza con frecuencia el término núclido para aquellas especies con un

número definido de protones (Z) y neutrones (n), de modo que cada átomo se considera un

núclido. Ahora bien, varios núclidos con el mismo Z se consideran isótopos. El objetivo de

introducir esta nueva clasificación radica en que todos aquellos núclidos que emiten radiaciones se

denominan formalmente radionúclidos.

Un radionúclido, entonces, es la forma inestable de un elemento que libera radiación a

medida que se descompone y se vuelve más estable. Los radionúclidos se pueden presentar en la

naturaleza o producir en el laboratorio. En el campo de la medicina, por ejemplo, se usan para las

pruebas de imaginología y para tratamiento con radioterapia (radioisótopos). Así, 12

6 C y 13

6 C, por

ejemplo, son núclidos, mientras que 14

6 C es un radionúclido, (eso, además de que los tres son

isótopos del Carbono).

ESTABILIDAD ATÓMICA

Cuando se analiza la estabilidad de los núcleos atómicos

siempre surge la misma pregunta, ¿por qué unos átomos son

estables mientras que otros no?, la respuesta se encuentra

cuando se analiza el núcleo atómico.

Resulta difícil explicar cómo protones y neutrones se mantienen

unidos y cómo se mantiene la estabilidad (a pesar de que el

núcleo presenta partículas de gran masa y carga eléctrica

idénticas haciendo evidente la repulsión entre ellas). La

explicación al fenómeno guarda relación con las denominadas

interacciones de corto alcance que se establecen entre

neutrón-neutrón, neutrón-protón y por extraño que parezca

protón-protón. Estas interacciones de corto alcance (fuerzas

atractivas) permiten mantener unidos a los nucleones.

Como se aprecia en la gráfica, hasta Z=20 los átomos son

estables, con igual cantidad de neutrones y protones, a medida

que Z aumenta se necesitan más neutrones para estabilizar al núcleo puesto que las repulsiones

aumentan.

Los núcleos que contienen 2, 8, 20, 50, 82 o 126 protones o neutrones tienden a ser más estables

que otros átomos. Por ejemplo, existen 10 isótopos estables para el estaño (Z=50) y sólo 2 para

el antimonio (Z=51). La importancia de los números 2, 8, 20, 50, 82 y 126 para la estabilidad

nuclear es similar a la del número de electrones asociados a la estabilidad electrónica de los gases

nobles.

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TIEMPO DE VIDA MEDIO (t½) Si bien todos los elementos radiactivos emiten partículas para lograr la estabilidad energética, la

velocidad a la cual ocurren estas emisiones es distinta para cada núcleo aunque se emita el

mismo tipo de partículas. Para medir la velocidad de las emisiones se utiliza una constante

denominada t½, o tiempo de vida promedio, este valor cuantifica el tiempo que tarda un elemento

radiactivo en emitir (desintegrar o transmutar) la mitad de su masa.

PORCENTAJE DE MASA RESIDUAL DE RADIONUCLIDO POR CADA VIDA PROMEDIO

t ½ t ½ t ½ t ½ t ½100% 50% 25% 12.5% 6.25% 3.125%

El tiempo t½, es absolutamente independiente de la cantidad de masa inicial del elemento, sólo

depende del tipo núcleo que se estudia. Para cada núcleo radiactivo estudiado el valor de t½ es

distinto.

Algunos ejemplos:

Núcleo Emisión t½

Tritio β- 12,33 años

Carbono 14 β - 5730 años

Fósforo 32 β - 14,26 días

Potasio 40 β - 1.280 millones de años

Cobalto 60 γ, β- 5,27 años

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FENÓMENOS RADIACTIVOS ARTIFICIALES

Cuando se compara la estabilidad de los núcleos atómicos con las masas que presentan se

evidencia una tendencia bastante interesante. La energía interna de los núcleos livianos (energía

que mantiene a los núcleos unidos) es muy baja, pero aumenta rápidamente hasta alcanzar un

máximo (estabilidad) y luego desciende a medida que la masa nuclear aumenta.

Por lo tanto, si los núcleos tratan de estabilizarse entre sí, además de emitir partículas (radiación)

pueden combinarse formando núcleos más pesados. Este fenómeno se denomina, fusión (si es

que los átomos originales presentan baja masa nuclear), o bien, pueden romperse, por fisión, si

es que su masa es excesiva. En cualquiera de los dos casos la liberación de energía es

considerable.

FISIÓN

La fisión nuclear es el proceso mediante el cual un núcleo atómico de alto número másico se

divide en varios núcleos más pequeños y en el proceso libera grandes cantidades de energía.

Muchos núcleos pesados pueden ser inducidos a desarrollar el fenómeno de la fisión pero sólo el

Uranio-235, Uranio-233 y Plutonio-239 tienen una real importancia práctica.

El proceso de fisión del Uranio-235 es el más estudiado pues es el combustible de los reactores

que producen electricidad.

10

El rompimiento del núcleo de uranio puede producirse mediante el bombardeo con neutrones

1

0 n + 235

92U 142

56 Ba + 91

36 Kr + 3 1

0 n

1

0 n + 235

92U 137

52 Te + 97

40 Zr + 2 1

0 n

En cualquiera de estos procesos la energía promedio liberada es de 3,5·10-11 J por núcleo, esto es

algo así como 2·1013 Joules por cada 235 gramos de uranio, esta energía es equivalente a la

generada por la combustión de 250.000 toneladas de carbón.

Aunque la cantidad de energía liberada en la fisión del uranio-235 es extremadamente alta, la

característica que hace que esta reacción sea usada tan ampliamente es que se liberan más

neutrones de los que son capturados al inicio de ésta. La cantidad de neutrones producidos hace

posible una reacción en cadena, o sea, una secuencia de reacciones autosostenidas. Los

neutrones producidos pueden inducir nuevas reacciones de fisión, propagando la reacción, pues

mientras más fisiones ocurren más neutrones son liberados.

REACTOR NUCLEAR

Los reactores nucleares son un ejemplo de la aplicación pacífica de la energía nuclear, funcionan

ocasionando la fisión y utilizando el calor liberado para hacer hervir agua. Una turbina convierte

este vapor en corriente eléctrica. Si bien el proceso es simple, la dificultad consiste en mantener

controlada la reacción, para ello se utilizan varillas de carbono o boro (sistema de control), estas

funcionan atrapando neutrones, con lo cual consiguen amortiguar la fisión cuando es necesario.

A pesar de su utilidad, el uso de reactores de energía genera contaminación, ya que se eliminan a

la atmósfera grandes cantidades de material radiactivo proveniente de los desechos nucleares,

(elementos hijos del Uranio-235), además, se necesitan grandes cantidades de agua para el

funcionamiento del reactor, que se saca de lagos, ríos, incluso del mar. Finalmente el aumento de

la temperatura del agua en un reactor causa modificaciones en el ecosistema.

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FUSIÓN

La fusión es el proceso mediante el cual dos núcleos livianos se unen formando un solo núcleo

hijo. La fusión nuclear al igual que la fisión genera grandes cantidades de energía, pero tiene a su

favor el hecho de que sus productos no son radiactivos. Las reacciones de fusión ocurren en el sol.

Acá la colisión de dos isótopos del hidrógeno genera helio con liberación de positrones

1

1H + 1

1H 2

1H + 0

1e

1

1 H + 2

1 H 3

2 He

Si bien las reacciones de fusión son más limpias, no existen reactores de fusión pues tienen un

inconveniente muy grande y es que para poder fusionar dos núcleos es necesario vencer sus

fuerzas de repulsión y para ello se necesitan cerca de 15 millones de grados celsius (la energía de

una estrella).

2

1 H + 2

1 H 3

1 H + 1

1 H

RADIOPROTECCIÓN

Dependiendo del tipo de emisión existen diferentes materiales que se usan como medio de

blindaje. Así, 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 absorbidas 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 se detiene con bloques de Plomo o materiales densos. Los

neutrones pueden ser detenidos (absorbidos) tanto por bloques de agua como de hormigón. En

el siguiente diagrama se observa el blindaje de estas radiaciones:

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Aplicaciones de las reacciones nucleares

En la industria: radiografías de aleaciones para detectar fallas, control de producción

midiendo espesor, control en el desgaste de los materiales, estudios de detergentes,

detección de filtraciones o fugas, generación de corriente eléctrica, conservación de

alimentos, esterilización de instrumentos quirúrgicos.

En química: Uso de trazadores en reacciones a estudiar, análisis por activación neutrónica

para determinar vestigios de impurezas (éste último muy utilizado en ciencia espacial,

geología, ecología, etc.).

En Arqueología: la importancia que tiene para un país como Chile, en cuyo norte se

conserva el pasado con características únicas en el mundo en relación al grado de

conservación, así como también la reconstrucción del patrimonio histórico.

Los fenómenos radiactivos se utilizan con propiedad en muchas ramas de la ciencia siendo

la química, la física y la medicina, las con mayor potencial de aplicación. Los isótopos

radioactivos se utilizan en la medicina nuclear, principalmente en las imágenes médicas,

para estudiar el modo de acción de los medicamentos, entender el funcionamiento del

cerebro, detectar una anomalía cardiaca, descubrir las metástasis cancerosas, entre otras.

Isótopos radiactivos, sus vidas medias y sus aplicaciones médicas como

marcadores en el cuerpo humano.

Isótopo Vida media Área del cuerpo que se estudia

131 I 8,1 días Tiroides

59 Fe 45,1 días Glóbulos rojos

99 Mo 67 horas Metabolismo

32 P 14,3 días Ojos, hígado, tumores

51Cr 27,8 días Glóbulos rojos

87 Sr 2,8 horas Huesos

99 To 6,0 horas Corazón, huesos, hígado, pulmones

133 Xe 5,3 días Pulmones

24 Na 14,8 horas Sistema circulatorio

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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 ( ), entonces

A) disminuiría el número de partículas en su 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 que colisiona H31 presenta

H31 + X Li6

3 + n10

I) 2 protones.

II) 4 neutrones.

III) 6 electrones.

De las anteriores, es (son) correcta(s)

A) sólo I.

B) sólo II.

C) sólo III.

D) sólo I y III.

E) I, II y III

4. Para la siguiente notación química 2Ca42

20 , la opción correcta es

Protones Neutrones Electrones Nº másico

A) 22 20 42 18

B) 20 22 20 42

C) 42 18 22 20

D) 18 42 20 22

E) 20 22 18 42

14

5. Si un elemento químico presenta 6 electrones y 8 neutrones y 6 protones, entonces es

correcto afirmar que

I) es radiactivo.

II) es un isótopo del 12C.

III) tiene número másico 14.

A) Sólo I.

B) Sólo III.

C) Sólo I y II.

D) Sólo II y III.

E) I, II y III.

6. Los átomos de Deuterio y Tritio presentan respectivamente

Igual Distinto

A) Nº protones Nº neutrones

B) Nº neutrones Nº protones

C) Nº electrones Nº másico

D) Nº másico Nº atómico

E) Nº protones Nº electrones

7. Cuando un elemento radiactivo emite partículas alfa, ocurre

A) aumento en su masa.

B) absorción de energía.

C) variación en el número atómico.

D) aumento en el número de electrones.

E) variación en los niveles de energía con electrones.

8. En la fisión nuclear siempre ocurre

I) transmutación.

II) emisión de energía

III) cambio en la masa del radionúclido.

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.

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Puedes complementar los contenidos de esta guía visitando nuestra web http://www.pedrodevaldivia.cl/

9. Si el período de semidesintegración para un radionúclido (t1/2) es de 50 años. ¿Qué porcentaje

en masa sin decaer queda al cabo de 200 años?

A) 6,25%

B) 12,5%

C) 25%

D) 50%

E) 100%

10. La siguiente gráfica evidencia el decaimiento radiactivo de cierta masa de radionúclido 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 radionúclido es de

20

0

10

15

5

8 16 32

Gramos de radioisótopo

Tiempo (días)

A) 4 días.

B) 8 días.

C) 10 días.

D) 16 días.

E) 32 días.

DMTR-QC02