2012

QUÍMICA COMÚNQC-03

EMISIONES RADIACTIVAS

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CONCEPTOS PRELIMINARES

NÚMERO ATÓMICO (Z)

Corresponde a la cantidad de protones que hay en el núcleo de un átomo, este número identificae individualiza a un elemento. Si el átomo es neutro, el número atómico coincide con el númerode 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).

A = Z + n

ISÓTOPOS

Átomos de un mismo elemento con diferente número de neutrones. No obstante lo anterior, elcomportamiento químico para los isótopos es el mismo.

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 debeentenderse como tal, es decir, un valor medio de la abundancia isotópica para cada uno de ellosen la naturaleza.

ISOBAROS

Átomos de elementos diferentes con el mismo número de partículas en el núcleo atómico (A).

Ejemplos: 146 C y 14

7 N

ISOTONOS

Átomos de distintos elementos con igual cantidad de neutrones.

Ejemplos: 31H y 4

2 He

IONES Y ÁTOMOS ISOELECTRÓNICOS

Iones de diferentes elementos con igual cantidad de electrones.

Ejemplos: 2412 Mg+2 y 16

8 O-2

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LOS RAYOS X

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

Röentgen tenía claro que los rayos catódicos eran emisiones que no podían atravesar el tubo devidrio, sin embargo y por alguna razón, una radiación “invisible” atravesaba las paredes eimpactaba la pantalla. Comprobó también que el poder de penetración era sorprendente. Pusociertos 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 naturalezadesconocida. Por esta razón le denominó radiaciones X. Más tarde en 1912 Max Von Lauedetermina la naturaleza electromagnética de los rayos X.

Los rayos X se producen cuando en el interior de un tubo de descarga, electrones de alta energía(rayos catódicos) impactan a un blanco metálico (radiación de frenado).

ALGUNAS PROPIEDADES

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EL FENÓMENO DE LA RADIACTIVIDAD

La Radiactividad fue descubierta en forma accidental en 1896 por el científico francés AntoineHenry Becquerel. Se trata de una de las emisiones de energía atómica más sorprendentes y demayor utilidad a la fecha. Estudiando un mineral de Uranio (pechblenda), Becquerel observófosforescencia sin que el mineral hubiera sido expuesto previamente a la luz. Comprobó que elmineral emitía radiación capaz de velar una placa fotográfica.

Al igual que los rayos X, los rayos provenientes del mineral pechblenda eran de alta energía y fueimposible desviarlos con un campo electromagnético externo. Sin embargo, diferían de los rayosX, pues se emitían de manera espontánea del material de uranio.

Marie Curie y su esposó Pierre Curie, comenzaron a estudiar el fenómeno y descubrieron queotros minerales poseían la misma propiedad que la pechblenda, entre ellas el Torio, determinaron,además, que el fenómeno es exclusivo del núcleo de los átomos.

En 1898 descubrieron dos nuevas sustancias radiactivas, mucho más activas que el Uranio, elRadio y el Polonio.

La propia Marie Curie (discípula de Becquerel), fue quien propuso el término radiactividad paraestas radiaciones espontáneas de partículas y energía.

En 1902 Ernest Rutherford demuestra que la radiactividad genera transformaciones espontáneas yde este modo un elemento puede transformarse en otro.

En 1903 Los esposos Curie y Antoine Becquerel reciben el Nobel de Física por el descubrimientode la radiactividad natural. Finalmente en 1911 Marie Curie aísla el radio y obtiene su masaatómica, el descubrimiento le significa un segundo premio Nobel.

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PROCESOS DE DESINTEGRACIÓN

Cuando un átomo se encuentra inestable en el núcleo, puede emitir radiaciones en formaespontánea. Sin embargo, hay átomos que, siendo estables, pueden ser inducidos a emitirenergía del núcleo. En ambos, el fenómeno ocurre con liberación de energía y los núcleos hijosgenerados son siempre más estables que el predecesor. En el primer caso se les llamaradiactividad natural y en el segundo, radiactividad artificial.

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.

Existen 3 tipos comunes de desintegraciones radiactivas naturales:

Emisión de partículas alfa ( ) Emisión de partículas beta ( ) Emisión de rayos gamma ( )

EMISIÓN ALFA ( 4 +22He ):

Corresponde a partículas con carga positiva +2 y 4 unidades de masa atómica. Son núcleos deHelio con poco poder de penetración y gran capacidad ionizante

238 234 492 90 2U Th + He

EMISIÓN BETA ( 0-1e)

Son partículas con carga negativa (electrones) que viajan a gran velocidad. Se desvían frente a uncampo electromagnético y son mucho más penetrantes que las radiaciones alfa. Las emisionesbeta provienen del núcleo producto de la desintegración de un neutrón*. El átomo que queda dela desintegración aumenta en 1 su número atómico, pero mantiene su número de masa (debemosmencionar que protón y neutrón tienen masas similares, 1 uma).

234 234 0-190 91Th Pa + e

* Junto con las partículas beta también se emiten otras partículas llamadas antineutrinos ( ),que carecen de carga y poseen una masa inferior a 4·10-5 de la masa del electrón.

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EMISIÓN GAMMA ( )

Corresponde a radiación electromagnética de alta energía y que no presenta masa. Se conocenalgunos isótopos que emiten rayos gamma de forma pura. La emisión gamma tiene lugar cuandoun radioelemento existe en 2 formas distintas (isómeros nucleares), ambas con el mismonúmero atómico y número másico pero con diferente energía. La emisión de rayos gammaacompaña a la transición del isómero de mayor energía a la forma estable. Un ejemplo de estaisomería es el isótopo protactinio 234 (Pa), que existe con 2 estados de energía diferentes, y en elque 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 núcleopor lo tanto, no hay transmutación (cambio en la identidad de un átomo).

TRANSMUTACIÓNLa transmutación es un fenómeno donde un átomo se transforma en otro, por cambio en elnúmero de protones. Esta transformación puede ser natural cuando un átomo emite radiaciones , , positrones o captura electrónica. El nuevo elemento puede ser también radiactivo y seguirá

emitiendo hasta transformarse en otro, tantas veces, como sea necesario. Lo anterior se conocecomo series radiactivas naturales. El fenómeno también puede producirse por mediosartificiales (bombardeo de un núcleo estable con neutrones).

ESTABILIDAD NUCLEAR

Como ya se ha visto, es muy común que los elementos presenten isótopos, o sea, que existanvarios átomos del mismo elemento (igual Z) con distinta masa (A) y entre uno y otro, sólo varía lacantidad de neutrones.

Algunos ejemplos

3517 Cl y 37

17 Cl 7935 Br y 81

35 Br 126 C 13

6 C y 146 C

Un núclido es una especie con un número definido de protones (Z) y neutrones (n), por lo tantocada átomo en si es considerado un núclido. Ahora bien, varios núclidos con el mismo Z sonconsiderados isótopos. El objetivo de introducir esta nueva clasificación radica en que todosaquellos núclidos que emiten radiaciones se denominan formalmente radionúclidos.

Un radionúclido, entonces, es la forma inestable de un elemento que libera radiación amedida que se descompone y se vuelve más estable. Los radionúclidos se pueden presentar en lanaturaleza o producir en el laboratorio. En el campo de la medicina, por ejemplo, se usan para laspruebas de imaginología y para tratamiento con radioterapia (radioisótopos). Así, 12

6 C y 136 C, por

ejemplo, son núclidos, mientras que 146 C es un radionúclido, más allá de saber que todos ellos son

isótopos entre sí.

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Cuando se analiza la estabilidad de los núcleos atómicossiempre surge la misma pregunta, ¿por qué unosátomos son estables mientras que otros no?, larespuesta se encuentra cuando se analiza el núcleoatómico.

El núcleo ocupa una porción muy pequeña del volumentotal del átomo, pero concentra casi toda la masa, asíentonces, la densidad del núcleo es unas 1012 vecesmayor que la del átomo.

La gran densidad complejiza el estudio de su estabilidad.Resulta difícil explicar cómo protones y neutrones semantienen unidos (y cómo se mantiene la estabilidad) apesar de que el núcleo presenta partículas de gran masay carga eléctrica idénticas haciendo evidente la repulsiónentre ellas.

La explicación al fenómeno guarda relación con lasdenominadas interacciones de corto alcance que seestablecen entre neutrón-neutrón, neutrón-protón y porextraño que parezca protón-protón. Estas interacciones

de corto alcance (fuerzas atractivas) permiten mantener unidos a los nucleones (partículas delnúcleo) a pesar de la repulsión eléctrica.

Cuando las fuerzas de atracción superan a las de repulsión el núcleo es estable, mientras quecuando la repulsión es mayor el núcleo es inestable, se desintegra y emite partículas, en este casose habla de un radionúclido o de un radioisótopo.

Como se aprecia en la figura, hasta Z=20 los átomos son estables con igual cantidad deneutrones y protones, a medida que Z aumenta se necesitan más neutrones para estabilizar alnúcleo puesto que las repulsiones aumentan.

Los núcleos que contienen 2, 8, 20, 50, 82 o 126 protones o neutrones tienden a ser más establesque otros átomos. Un ejemplo es que existen 10 isótopos estables para el estaño (Z=50) y sólo 2del antimonio (Z=51). La importancia de los números 2, 8, 20, 50, 82 y 126 para la estabilidadnuclear es similar a la del número de electrones asociados a la estabilidad electrónica de los gasesnobles.

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PERÍODO DE SEMIDESINTEGRACIÓN O TIEMPO DE VIDA MEDIO (t½)

Si bien todos los núcleos radiactivos emiten partículas para lograr la estabilidad energética, lavelocidad a la cual ocurren estas emisiones es distinta para cada núcleo más allá de que se emitael mismo tipo de partículas.

Para medir la velocidad de las emisiones se utiliza una constante denominada t½, o tiempo devida promedio, este valor cuantifica el tiempo que tarda un elemento radiactivo es descomponer(desintegrar o transmutar) la mitad de su masa.

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, sólodepende del tipo núcleo que se estudia. Para cada núcleo radiactivo estudiado el valor de t½ esdistinto.

23892 U 234

90 Th + 42 He t ½ = 4.51·109 años

21484 Po 210

82 Pb + 42 He t ½ = 1.6·10-4 segundos

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 de estos se evidenciauna tendencia bastante interesante. La energía interna de los núcleos livianos (energía quemantiene a los núcleos unidos) es muy baja, pero aumenta rápidamente hasta alcanzar unmáximo (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 esque los átomos originales presentan baja masa nuclear), o bien, pueden romperse, por fisión, sies que su masa es excesiva. En cualquiera de los dos casos la liberación de energía esconsiderable.

FISIÓN

La fisión nuclear es el proceso mediante el cual un núcleo atómico de alto número másico sedivide 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 elUranio-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 reactoresnucleares que producen electricidad. El rompimiento del núcleo de uranio puede producirse pordiversas vías, entre las que se cuentan:

El bombardeo con neutrones liberando:

10 n + 235

92 U 14256 Ba + 91

36 Kr + 3 10 n

y

10 n + 235

92 U 13752 Te + 97

40 Zr + 2 10 n

En cualquiera de estos procesos la energía promedio liberada es de 3,5·10-11 J por núcleo, esto esalgo así como 2·1013 Joules por cada 235 gramos de uranio, esta energía es equivalente a lagenerada por la combustión de 250.000 toneladas de carbón.

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Aunque la cantidad de energía liberada en la fisión del uranio-235 es extremadamente alta, lacaracterística que hace que esta reacción sea usada tan ampliamente es que se liberan másneutrones de los que son capturados al inicio de esta. La cantidad de neutrones producidos haceposible una reacción en cadena, o sea, una secuencia de reacciones autosostenidas. Losneutrones producidos pueden inducir nuevas reacciones de fisión, propagando la reacción, puesmientras más fisiones ocurren más neutrones son liberados.

Para que una reacción en cadena ocurra es necesario que exista una cantidad de masa de Uranio-235 suficiente para que los neutrones sean capturados de lo contrario estos neutrones escapan dela muestra, a esta cantidad mínima de de masa se le denomina masa crítica.

REACTORES NUCLEARES

Los reactores nucleares son un ejemplo de la aplicación pacífica de la energía nuclear. Funcionanocasionando la fisión y utilizando el calor liberado para hacer hervir agua, el vapor de agua esutilizado por una turbina para producir electricidad. Si bien el proceso es simple, la dificultadconsiste en mantener controlada la reacción, para ello se utilizan varillas de control (de carbono oboro), estas varillas atrapan neutrones, con lo cual consiguen disminuir la fisión cuando esnecesario.

La utilización de los reactores puede producir contaminación en varios sentidos, pero los reactoresno corren peligro de explotar, en el peor de los casos se pueden liberar grandes cantidades dematerial radiactivo al medio ambiente, y esto sería sólo en un accidente catastrófico.

La contaminación proviene de los desechos nucleares, que son los núcleos hijos del Uranio-235,además de que se necesitan grandes cantidades de agua para el uso del reactor y esta esobtenida de lagos, ríos o mares, el agua al ser usada aumenta su temperatura y esto puedecausar cambios en el ecosistema vecino.

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FUSIÓN

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

La fusión nuclear al igual que la fisión genera grandes cantidades de energía, pero tiene a su favorel hecho de que sus productos no son radiactivos

A continuación están las reacciones de fusión que ocurren en el sol y que forman helio a partir dehidrógeno con liberación de positrones.

11H + 1

1H 21 H + 0

1e

11H + 2

1 H 32 He

32 He + 3

2 He 42 He + 2 1

1H

32 He + 1

1H 42 He + 0

1e

Si bien las reacciones de fusión son más limpias, no existen reactores de fusión pues tienen uninconveniente muy grande y es que para poder fusionar dos núcleos es necesario vencer lasfuerzas de repulsión de estos y para ello se necesitan cerca de 15 millones de grados celsius, sinembargo esta es la forma en que las estrellas generan su energía.

RADIOPROTECCIÓN

Dependiendo del tipo de emisión existen diferentes materiales que se usan como medio deblindaje. Así, por ejemplo, las partículas alfa interaccionan con el medio absorbiéndosecompletamente. Su alcance es de unos pocos centímetros en el aire. Cualquier partícula alfa escompletamente detenida por una hoja de papel o por la capa basal de la piel. Las partículas betatienen mayor alcance que las partículas alfa y pueden ser absorbidos por materiales poco densoscomo el aluminio. Una característica particular es que, cuando se absorben por elementos de altonúmero atómico, como el plomo, producen radiación X de frenado. La radiación gamma esradiación de alta energía que se detiene con bloques de Plomo o materiales densos. Losneutrones pueden ser detenidos (absorbidos) tanto por bloques de agua como de hormigón.

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Aplicaciones de las reacciones nucleares

En la industria: radiografías de aleaciones para detectar fallas, control de producciónmidiendo espesor, control en el desgaste de los materiales, estudios de detergentes,detección de filtraciones o fugas, generación de corriente eléctrica, conservación dealimentos, esterilización de instrumentos quirúrgicos.

En química: Uso de trazadores en reacciones a estudiar, análisis por activación neutrónicapara determinar vestigios de impurezas (éste último muy utilizado en ciencia espacial,geología, ecología, etc.).

En la agricultura: en trazadores para estudiar como absorben los vegetales a losfertilizantes, insecticidas y otros productos, aumentar la conservación de los alimentos,obtener por mutaciones cereales más resistentes y productivos, estudiar mejor laalimentación de los animales, aumentando la producción de leche, huevos, etc.

En Arqueología: la importancia que tiene para un país como Chile, en cuyo norte seconserva el pasado con características únicas en el mundo en relación al grado deconservación, así como también la reconstrucción del patrimonio histórico.

Los fenómenos radiactivos se utilizan con propiedad en muchas ramas de la ciencia siendola química, la física y la medicina, las con mayor potencial de aplicación. Los isótoposradioactivos se utilizan en la medicina nuclear, principalmente en las imágenes médicas,para estudiar el modo de acción de los medicamentos, entender el funcionamiento delcerebro, detectar una anomalía cardiaca, descubrir las metástasis cancerosas, entre otras.

Isótopos radiactivos, sus vidas medias y sus aplicaciones médicas comomarcadores 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 03

1. En general, el poder ionizante de las emisiones radioactivas varía en sentido inverso al poderde penetración. ¿Cuál de las siguientes emisiones y radiaciones presenta mayor poder depenetración en la materia?

A) AlfaB) BetaC) GammaD) FotonesE) Rayos X

2. Las emisiones de tipo alfa se caracterizan, entre otras cosas, porque

I) ionizan la materia.II) presentan carga eléctrica positiva.III) presentan bajo poder de penetración.

De las anteriores es (son) correcta(s)

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

3. Si un radionúclido sufre la siguiente transformación

XScCa 4221

4220

Se deduce que la emisión X corresponde a una

A) partícula alfa.B) partícula beta.C) emisión gamma.D) emisión de fotones.E) emisión de neutrones.

4. En la siguiente reacción nuclear, la partícula X liberada presenta

Li63 + n1

0 H31 + X

A) Z = 1B) A = 3C) n = 4D) ē = 1E) Z = 2

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5. En relación a la fisión nuclear es correcto afirmar que

A) la energía liberada no supera las 1000 kilocalorías.B) ocurre en átomos con un núcleo pesado e inestable.C) se absorben en la colisión grandes cantidades de energía.D) la fisión no puede ocurrir en núcleos pesados, pero sí en núcleos livianos.E) los núcleos de átomos livianos colisionan dando lugar a átomos de mayor Z.

6. Si 2 átomos presentan igual número atómico y distinto número de neutrones, deben ser entresí

A) isómeros.B) isótonos.C) isobaros.D) isotopos.E) especies isoelectrónicas.

7. La vida media promedio (t1/2) para un radionúclido es de 30 días. Pasados 90 días, elporcentaje en masa de radionúclido sin decaer será

A) 100%B) 90%C) 50%D) 25%E) 12,5%

8. Deuterio ( H21 ) y Tritio ( H3

1 ) son 2 isótopos del Hidrógeno, uno más radiactivo que el otro. Al

respecto, es correcto afirmar que

I) sólo Tritio presenta neutrones.II) Deuterio es más pesado que Tritio.III) Deuterio tiene la mitad de la masa de una partícula alfa.

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

9 Si una especie química presenta: 16 protones, 17 neutrones y 18 electrones, entonces, escorrecto afirmar que

A) es un catión.B) es atraído por un cátodo.C) tiene 34 partículas en el núcleo.D) se puede representar como 233

16X

E) tiene 2 niveles de energía con electrones.

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

10 La siguiente gráfica muestra el decaimiento radiactivo de un radionúclido. A tiempo cero lamasa del isótopo es de 12 gramos, por lo tanto, se deduce que el tiempo de vida medio (t1/2)debe ser

12

6

3

9

gramos

días40 8 16

A) 1 día.B) 4 días.C) 8 días.D) 16 días.E) 32 días.

DMDO-QC03