fenomenos nucleares i

Propiedades del ncleo

tomo (repaso)


tomo (repaso)

TOMO NEUTRO Es cuando la cantidad de protones es IGUAL a la cantidad de electrones; p+ = e-. Ejemplo:

Ccarbono

6 protones 6 electrones


tomo (repaso)Tabla peridica de los elementos


tomo (repaso)Descripcin del tomo

NMERO MSICO (A): Es la suma de protones y neutrones, en el se expresa la composicin nuclear que determina la masa atmica; A = p+ + n o A = Z + n.

NMERO ATMICO (Z): Es el nmero de protones que posee un tomo en su ncleo, y es lo que identifica a un elemento; Z = p+.


Conclusin:con estos dos nmeros podemos obtener informacin acerca de cuntos protones, neutros y electrones tiene un determinado tomo


Actividad n 1 en clases


1) Responde las siguientes preguntas: El calcio tiene nmero atmico 20 y numero masico 40 a) Explica el significado de esos dos datos b) En qu deben parecerse dos elementos para que den lugar a sustancias de comportamiento parecido: en su numero msico, en su nmero atmico, o en su configuracin electrnica? Explica tu respuesta.


2) Completa la siguiente tabla:

n atmico (Z) n msico (A)

n protones

n neutrones n electrones

Na Ca+2 Br Br 35 35 40

11

12 18 45 44 36


NMERO ATMICO (Z)

Entonces:

6

C

9

F

10

Ne


NMERO MASICO (A)

Entonces:

Esteban Tapia Moya. Profesor de enseanza media con mencin qumica. Universidad de Chile.

Liceo Jos Toribio Medina Qumica comn tercero medio

Primera Unidad FENMENOS NUCLEARES

Introduccin

con que la asociamos?

Bombas nucleares

Reactores nucleares

Desechos nucleares

Introduccin

El sol

Aplicaciones en medicina

Esterilizacin

Introduccin

Ncleo atmico

Reacciones Qumicas

Reacciones nucleares

Los tomos se reorganizan por la ruptura y formacin de electrones.

Los elementos (o los isotopos de los mismos elementos) se convierten entre s. Solo los electrones de los orbitales Pueden participar protones, neutrones atmicos o moleculares participan en la electrones, y otras partculas ruptura y formacin de enlace. elementales Las reacciones se acompaan por la Las reacciones van acompaadas por la absorcin o liberacin de cantidades de absorcin o liberacin de cantidades energa relativamente pequeas. enormes de energa. La velocidad de reaccin se ven afectadas por la temperatura, la presin, concentraciones y catalizadores No se ven afectadas por la t, P, [ ] , y catalizadores.


Sabemos que todos los tomos de un mismo elemento tiene la misma cantidad de protones, pero la cantidad de neutrones puede variar.

Los tomos de un mismo elemento pueden tener masa diferentes.

ISOTOPOS

Los tomos de un elemento tienen istopos que difieren en el nmero de neutrones,. La masa atmica promedio de un elemento se establece considerando la abundancia de cada uno de los istopos en la naturaleza.

Se sabe que el carbono tiene tres istopos: el istopo C-14, ampliamente utilizado en la estimacin de las edades de fsiles orgnicos, se encuentra en muy baja proporcin en la naturaleza, por lo que su aporte se puede despreciar el istopo C-12 es 98,89% y del istopo C-13 es de 1,11%.

Cul es la masa atmica promedio del carbono?


Al interior de un ncleo actan dos tipos de fuerzas: la fuerza de repulsin elctrica la fuerza nuclear.

Para romper ncleos es necesario vencer la fuerza nuclear y para agregar p+ o no se requiere superar la repulsin elctrica. Ambos procesos liberan gran cantidad de energa. En esto consiste la FISION NUCLEAR Y LA FUSION NUCLEAR

Procedimiento Observaciones empricas han determinado que la estabilidad nuclear depende de la relacin entre el nmero de protones y de neutrones, tal como se muestra en el grfico N 1.

Anlisis y conclusiones: Analiza el grfico y responde las preguntas. 1. Qu representa la lnea recta que cruza el grfico? 2. Qu relacin hay entre los protones y los neutrones de los ncleos estables de nmero atmico pequeo (hasta alrededor de 20)? 3. Qu ocurre con los ncleos de mayor nmero atmico?, cmo se relaciona el nmero de neutrones y de protones? 4. Por qu crees que el nmero de neutrones necesario para mantener un ncleo estable aumenta al haber ms protones? 5. En qu elemento termina la franja de estabilidad?, por qu? 6. Qu sucede con los elementos de Z > 83?

n/p demasiado grande Desintegracin betaCinturn de estabilidad

X

Neutrone/protones = 1

Y

n/p demasiado pequeo Desintegracin de positrn o captura de elctrn 23.2

LA RADIACTIVIDAD O RADIOACTIVIDAD

Es un fenmeno fsico natural, por el cual algunos cuerpos o elementos qumicos llamados radiactivos, emiten radiaciones Las radiaciones emitidas pueden ser:electromagnticas en forma de rayos X o rayos gamma o bien corpusculares, como: ncleos de Helio, electrones o positrones, protones u otras.

En resumen, es un fenmeno que ocurre en los ncleos de ciertos elementos, que son capaces de transformarse en ncleos de elementos de otros tomos.

Los ncleos a partir de un cierto tamao (nmero de protones y neutrones) comienzan a ser inestables porque las fuerzas de repulsin elctricas son muy intensas Para intentar estabilizarse: Producen emisiones de partculas estas emisiones es lo que llamamos radiactividad

Existen tres tipos de emisiones: Radiacin alfa Radiacin beta Radiacin gamma

RADIACIN ALFA:Son ncleos de Helio 4 He 2 Se comprob que la relacin carga/masa se vio que era la misma que la de los iones de He 2 (sin electrones) Bajo poder de penetracin Baja velocidad de emisin 16000 Km/s Mecanismo :A Z

X

p

A 4 Z 2

X

4 2

He

RADIACIN BETA:

on electrones que se producen por desintegracin de un neutrn Carga negativa ayor poder de penetracin ayor velocidad de emisin 260.000 m/s

ecanismo :

p

1

6

11C

--->

5

11B

+

1

0 1 e

0e

RADIACIN GAMMA:

Es una radiacin electromagntica No poseen carga elctrica ximo poder de penetraci n Velocidad de la luz - onda electromagntica ecanismo :A Z

X

p

A Z

X

K

in cambio pero con emisin energtica

Actividad en clases n 3

Actividad

Poder ionizante La radiacin puede provocar excitacin o ionizacin de la materia. La ionizacin es un proceso fsico-qumico a travs del cual se producen iones, producto del exceso o falta de electrones. Las radiaciones EFy K tienen energa suficiente como para arrancar electrones de los tomos con los que chocan, es decir, convertirlos en iones. A esta capacidad se le denomina poder ionizante, y es diferente en las distintas radiaciones: se ha calculado que el poder ionizante de las radiaciones alfa es cien veces superior al de la radiacin F, y las emisiones beta cien veces superior al de la radiacin K. El poder ionizante de las emisiones radiactivas vara en sentido inverso al poder de penetracin. De este modo, por ejemplo, las radiaciones a poseen una bajsima capacidad para penetrar en la materia, pero un altsimo poder de ionizacin.

Las radiaciones nucleares, al ser ionizantes, son muy peligrosas para la salud, ya que pueden, entre otras cosas, provocar mutaciones en el material gentico de los seres vivos, lo que en algunos casos puede ocasionar cncer.

Actividad

Entonces:

Radiaciones ionizantes Rayos gamma: fotnes (sin carga ni masa) Partculas beta: electrones a gran velocidad Partculas alfa: ncleos de helio a gran velocidad

Se ha comprobado que los istopos de los elementos radiactivos presentan distintos grados de inestabilidad en el tiempo debido a que cada istopo experimenta una serie radiactiva particular. Para referirse a la velocidad con que ocurren las desintegraciones nucleares utilizamos el concepto de vida media. Vida media ( t1/2 ) de un elemento radiactivo es el tiempo que tarda en desintegrarse la mitad de los tomos de cualquier sustancia radiactiva.

Los valores de vida media de los istopos radiactivos pueden variar desde fracciones de segundos hasta millones de aos. El istopo ms inestable conocido es el Helio-5, su vida media es de 2 x 10-21seg. En cambio los istopos U-235 y U- 238 tienen vidas medias muy largas, 7,1 x 10(8) y 4,5 x 10(9) aos respectivamente.

El grafico presenta la desintegracin de una muestra de Co 60 1.- Indicar la cantidad inicial del Co-60 2.- Qu cantidad se desintegra en t? A cuantos aos corresponde? 3.- Qu cantidad se desintegra en 2 t? A cuantos aos corresponde? 4.- Qu cantidad se desintegra en 3t? A cuantos aos corresponde? 5.- Cul es el tiempo de vida media del Co-60?

La primera conversin de un ncleo en otro fue obtenida en 1919 por Hernest Rutherford. Convirti el nitrgeno -14 en oxgeno 17 ms un protn, empleando partculas alfa. En la radiactividad inducida intervienen cuatro partculas: un ncleo objetivo, una partcula que bombardea, un producto y una partcula expulsada.

En 1939, los qumicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassman encontraron al elemento bario ( Ba ) en una muestra de uranio que haba sido bombardeada con neutrones. Un ncleo de uranio 235 haba captado un neutrn y sufrido fisin nuclear.

Cuando un ncleo pesado se somete a un bombardeo con neutrones ( 0n1 ) este se divide, formando otros ncleos ms pequeos y estables. En la fisin de U- 235, el ncleo de Uranio se escinde en un ncleo de Bario-139 y un ncleo de kriptn-94,liberando 3 neutrones y una enorme cantidad de energa, segn la ecuacin:

Durante el proceso de fisin, los nuevos ncleos colisionan con las molculas que se encuentran a su paso, transformando su energa cintica en calor; y los neutrones liberados, impactan a otros tomos, desprendindose as nuevos neutrones que fisionaran otros ncleos, y as sucesivamente, ocurre una reaccin en cadena. Masa crtica es una determinada y suficiente cantidad de tomos fisionables capaces de sostener una reaccin en cadena.

Es el proceso por el cual ncleos muy ligeros se:

Fusionan para formar ncleos ms pesados y ms estables, generando grandes cantidades de energa. Las reacciones que ocurren en el interior de las estrellas son reacciones nucleares de fusin Por ejemplo, el Sol genera la mayor parte de su energa por medio de la fusin: hidrgeno-2 ( deuterio ) e hidrgeno-3 (tritio) Para formar un ncleo de Helio

La f si l s t s i r li ra atr s s r a r ramo lo miti o a r acci fisi cl ar. P ro l roceso requiere e temperaturas elevadsimas, del orden de ( )a ( ) rados Kelvin, para vencer las fuerzas de repulsi n entre los ncleos lograr que se fusionen

Para controlar la energa que se produce en las reacciones de fisin en cadena se necesita de un sistema que controle las fisiones. REACTOR NUCLEAR Consiste en una vasija donde se deposita el combustible nuclear en forma de pastilla entre una serie de varillas.

Los componentes de un reactor son: 1.- Un material moderador ( grafito ) desacelerar los neutrones 2.- Barras de control ( cadmio ) controlar la velocidad de la fisiones 3.- Un sistema de transferencia de energa calrica que transporta hacia un sistema de generador de vapor de agua. 4.- Un sistema de blindaje para evitar la fuga de radiaciones

La E. N. Puede ser empleada en mltiples campos 1.- Obtencin de electricidad 2.- Produccin de radioistopos ( trazadores de los procesos qumicos y biolgicos) -En la medicina -En la industria -En la agricultura La COMISION CHILENA de ENERGIA NUCLEAR Desde 1974 cuenta con el Centro de Estudios Nucleares La Reina Reactor Experimental Rech 1 Produccin de radioistopos y anlisis por activacin neutrnica ( Salud, Minera y Agricultura)

Uso de radiaciones ionizantes para la estabilizacin. Tratamiento equivalente a la pasteurizacin o esterilizacin Desactiva enzimas, mata microorganismos y parsitos Esterilizacin fra : Implica incrementos de T insignificantes

Fuentes, intensidad y dosis

Diseo de un proceso de Irradiacin Determinar dosis necesaria para el efecto deseado Elegir radiacin, obtener sus caractersticas de energa y atenuacin Comprobar si es posible no sobrepasar lmites mnimos y mximos Determinar distancia a la fuente en funcin del tiempo de exposicin o viceversa Si es un diseo nuevo, se puede jugar con la actividad de la fuente

Irradiacin de alimentosTipos de procesos de irradiacin. Clasificacin.yDosis Baja (hasta 1 kGy): es usada para demorar los procesos fisiolgicos, como maduracin y senescencia de frutas frescas y vegetales, y para controlar insectos y parsitos en los alimentos. yDosis Media (hasta 10 kGy): es usada para reducir los microorganismos patgenos y descomponedores de distintos alimentos; para mejorar propiedades tecnolgicas de los alimentos, como reducir los tiempos de coccin de vegetales deshidratados; y para extender la vida en anaquel de varios alimentos. yDosis Alta (superior a 10 kGy): es usada para la esterilizacin de carne, pollo, mariscos y pescados, y otras preparaciones en combinacin con un leve calentamiento para inactivar enzimas, y para la desinfeccin de ciertos alimentos o ingredientes, como ser especias.

Irradiacin de alimentosEfectos de la radiacin absorbida

No crecimiento de mohos

Inhibicin de brotes

Dentro del uso de la radiactividad en las actividades humanas, muy conocidas son sus aplicaciones mdicas. El uso de la radiacin en el diagnstico y el tratamiento de enfermedades se ha convertido en una herramienta bsica en medicina. Con ella se ha podido realizar exploraciones del cerebro y los huesos, tratar el cncer y usar elementos radiactivos para dar seguimiento a hormonas y otros compuestos qumicos de los organismos.

61

Algunos istopos radiactivos, sus vidas medias y sus aplicaciones mdicas Ncleo131 59 99

Vida media 8.1 das 45.1 das 67 horas 14.3 das 27.8 das 2.8 horas 6.0 horas 5.3 das 14.8 horas

rea del cuerpo que se estudia Tiroides Glbulos rojos Metabolismo Ojos, hgado, tumores Glbulos rojos Huesos Corazn, huesos, hgado, pulmones Pulmones Sistema circulatorio

I

Fe Mo P Cr Sr To Xe Na

32 51 87 99 133 24

62

Medicina nuclear

SPECT (Tomografa Computerizada por Emisin de Fotn Simple): Un radioistopo emisor de fotones gamma es introducido en el paciente. Los fotones emitidos son detectados en una gammcmara plana. Mediante tcnicas de reconstruccin de imagen se puede conseguir una imagen funcional del interior del cuerpo.

63

PET (Tomografa por Emisin de Positrones): Un radiotrazador emisor de positrones en introducido en el paciente. Al producirse la desintegracin se emiten positrones que posteriormente se aniquilan dando lugar a 2 fotones colineales de 511 KeV. Estos fotones son detectados en coincidencia. Mediante tcnicas de reconstruccin de imgenes se obtiene una imagen funcional del interior del cuerpo

64

Medicina nuclearRadioterapia: Consiste en el uso de las radiaciones como tratamiento teraputico en oncologa. Se irradia al paciente con fotones de alta energa para eliminar las clulas tumorales intentando afectar lo mnimo posible a las clulas sanas. La aplicacin de la radiacin se puede hacer de manera externa con cmaras de cobalto o aceleradores lineales, o de manera interna mediante la introduccin de implantes radiactivos (braquiterapia).

65

RMN (Resonancia Magntica Nuclear): Un campo magntico esttico provoca un desdoblamiento Zeeman de subestados nucleares magnticos y una seal de radiofrecuencia es aplicada de modo que induce transiciones entre subestados. Lo que se mide en este caso es la absorcin de la radiofrecuencia y su posterior reemisin.

67

Cncer inducido por la radiacin

El desarrollo del cncer involucra mltiples cambios en genes, seales celulares, reguladores de crecimiento, apoptosis, angiognesis, respuesta del ADN al dao y reparacin. Estos cambios pueden afectar: (1) mutaciones genticas o translocaciones del ADN que transforman los protooncogenes en oncogenes y (2) mutaciones que resultan en prdida de genes supresores (deleciones).


El largo perodo de latencia entre la exposicin a la radiacin y la aparicin del cncer, as como tambin la naturaleza multifactorial de la carcinognesis, hacen difcil distinguir los efectos de la radiacin y diferenciarlos de los dems factores.


Se ha demostrado que el efecto de la radiacin que una mayor importancia tendra en el inicio de las alteraciones que llevan al cncer sera la ruptura de la cadena de ADN y la posterior reparacin defectuosa. La mutaciones ms frecuentes producida por la radiacin es la prdida de material gentico.

1862: Lord Kelvin: Estudia la luminosidad del sol, mareas de la luna, rotacin de la tierra, etc. Supone con bases cientficas que la edad de la tierra es de 100 Ma. Mas tarde en 1897: entre 20 y 40 Ma. 1896: Henri Becquerel: Descubre la radiactividad. 1898: Marie Curie: Descubre el Th, Po, Ra. 1899: Rutherford: Investiga estas sustancias radiactivas y encuentra que estn compuestas de partculas E (= 4He), F(positivos y negativos) y K (similares a Rayos-X). 1900: Soddy y Rutherford estudian el Th y sus componentes, adems encuentran la tasa de desintegracin (ACTIVIDAD): dN/ dt = PN (P= constante de decaimiento; t = tiempo; N = nmero de tomos radiactivos presentes) 1912: Bohr propone el modelo atmico 1H. 1914: Richard y Lambert: Descubren que los pesos atmicos no son nmeros enteros e introducen el trmino istopo. 1919: Rutherford encuentra que el ncleo del tomo tiene protones (p+).

OTROS PUNTOS IMPORTANTES 1903: Marie y Pierre Curie descubren que el decaimiento radiactivo es un proceso exotrmico. Afecta tasas de calor en la tierra > Premio Nobel de Fsica. Los halos pleocroicos (p.ej. en micas) son resultado de daos por radiacin. 1913: Holmes determina la edad del Arqueano en 1,300 Ma. 1931: Urey descubre el 2H= D (Deuterio) a partir de la diferencia de presiones de vapor en el hidrgeno. Tambin descubre que el O sufre un fraccionamiento natural en carbonatos marinos.

fenomenos nucleares i

Documents