TEMA 12: QUMICA NUCLEAR

EL NCLEO ATMICO: CARACTERSTICAS Y ESTABILIDAD:En 1905 Rutherford llev a cabo un experimento de bombardeo de finas placas metlicas con partculas alfa, que le condujo a proponer la existencia en el tomo de una zona de volumen muy pequeo donde extraan situados los protones, el ncleo atmico. En el ncleo atmico, estn situados los protones y neutrones dentro de un espacio muy reducido (dimetro del orden de 10-4m, en volumen). Por tanto, la densidad del ncleo es elevadsima, lo que es sumamente estable.

PROCESOS DE DESINTEGRACIN:

La radioactividad es el resultado de la transformacin natural del ncleo de un elemento en el ncleo de un elemento diferente. Este cambio espontneo de un ncleo radioactivo a otro ncleo es una radiacin nuclear o transmisin. En el ncleo inicial, inestable, tiene lugar lo que se conoce como desintegracin radioactiva, que va acompaada de una emisin de radiaciones; el ncleo hijo, a su vez, puede sufrir tambin una desintegracin (aunque no siempre). As Rutherford identific radiaciones procedentes de materiales radioactivos de dos tipos, las partculas alfa () y partculas beta (); posteriormente fue detectado otro tipo de radiacin, los rayos gamma ().

RADIACIN ALFA ():

La desintegracin con emisin de partculas alfa generalmente tiene lugar slo con elementos con nmero msico superior a 200. Un ejemplo:

El nmero atmico del ncleo hijo ha disminuido en dos unidades y el de masa, en cuatro.

RADIACIN BETA ():

Emisin de partculas beta, de carga negativa y propiedades idnticas a los electrones de los orbitales (), pero cuyo origen es diferente ya que provienen del ncleo, por lo que se representan de otra manera, como (). Un ejemplo:

Por lo tanto, en los procesos de desintegracin el ncleo n sufre alteracin en su nmero msico, pero se origina un nuevo elemento de un nmero atmico mayor a una unidad.

RADIACIN GAMMA ():

Los rayos gamma son radiaciones electromagnticas de longitud de longitud de onda inferior a la de los rayos X, siendo por ello su energa y poder de penetracin mayores que las de stos. Su poder de penetracin es muy elevado frente al de las partculas alfa o beta, pudiendo atravesar el cuerpo humano. Quedan frenadas con espesores de 1 m de hormign o unos pocos cm de plomo, por lo que cuando se utilizan fuentes radiactivas que emiten este tipo de radiacin, hay que utilizar blindajes adecuados.Adems de estas emisiones radioactivas, en ciertas desintegraciones tambin se producen otros procesos:

EMISIN DE UN POSITRN (+):

El positrn es idntico a un electrn pero con carga +1 en lugar de -1, y se representa como , como o como +. Se considera que provendra de un protn del ncleo que se habra desintegrado a un neutrn y un positrn:

CAPTURA DE UN ELECTRN K:

Tiene lugar cuando un electrn de envoltura electrnica, situado en el nivel ms interno de energa (n=1 y, a veces, n=2), cae dentro del ncleo:

ENERGA DEL ENLACE NUCLEAR:

La energa de enlace nuclear es la energa necesaria para romper un ncleo en sus protones y neutrones o, de otra manera, como la energa que se desprendera al formarse el ncleo a partir de sus protones y neutrones. Ejemplo:La masa del Helio es 4,0015u.Su ncleo resulta la combinacin de dos protones (masa del protn= 1,0073u) y dos neutrones (masa del neutrn= 1,0087u). Su masa sera: (2x1,0073) + (2x1,0087)= 4,0320u.La masa calculada tericamente (4,0320u) es mayor a la masa obtenida experimentalmente (4,0015u), con diferencia de 0,0305u. Si tenemos en cuenta que hay una equivalencia masa-energa, esta prdida de masa correspondera a la energa que se desprendera al formarse ese ncleo, es decir, la energa de enlace nuclear. La energa puede calcularse con la ecuacin de Einstein: E = Energa en julios E = m c2 m = Masa en kg. C = Velocidad de la luz en metros por segundo (3,00 x 108 m.s-1)

ENERGIA DE ENLACE NUCLEAR POR NUCLEN:

La energa de enlace nuclear da la medida cuantitativa de la estabilidad de un ncleo determinado. Pero cuando se tienen que comparar la estabilidad de dos ncleos, hay que considerar que tienen distinto nmero de nucleones, por lo que es ms conveniente emplear la energa de enlace nuclear por nuclen, que indica la estabilidad relativa de los ncleos.

Los ncleos ms pesados son enrgicamente inestables respecto a los ncleos intermedios, por lo que tendern a romperse (fisionarse) para alcanzar los valores de nmeros msicos ms estables (los intermedios): proceso de fisin nuclear, base de la bomba atmica y de los reactores de energa nuclear. Los ncleos ms ligeros son tambin enrgicamente inestables respecto a los ncleos intermedios, por lo que tendern a unirse (fusionarse) para aumentar su nmero msico y alcanzar los valores de nmeros msicos ms estables (los intermedios): proceso de fusin nuclear, base de la bomba de hidrgeno.

ESTABILIDAD NUCELAR:

La teora de capas supone que al formarse un ncleo los protones y neutrones van ocupando una serie de capas nucleares, de forma parecida a la estructura electrnica de los tomos.

Ciertos ncleos poseen una estabilidad especial: concretamente los ncleos que contienen 2, 8, 20, 50, 82 y 126 bien de protones bien de neutrones, son ms estables que los que no los tienen. Eso se conoce como nmeros mgicos. Los ncleos que tienen un nmero par de protones y nmero tambin par de neutrones son mucho ms abundantes que cuando uno de estos nmeros o los dos son impares. Todos los istopos de los elementos de un nmero superior a 83 (bismuto) son radioactivos, as como los del tecnecio (Z=43) y prometio (Z=61).

FRANJA DE ESTABILIDAD:

La presencia de los neutrones es fundamental, ya que sin ellos las fuerzas electroestticas de repulsin entre los protones haran que el ncleo estallase. As, para los elementos de nmero atmico bajo (hasta Z20), para mantener la estabilidad del ncleo basta con un nmero de neutrones (n) igual aproximadamente al de protones (p); es decir, la razn n/p1. Cuando el nmero de electrones es muy alto las fuerzas de repulsin aumentan tanto que se requiere ya un nmero superior de neutrones, con lo que n/p aumenta.

SERIES DE DESINTEGRACIN RADIOACTIVA:

Si el nuevo ncleo formado en una desintegracin es tambin inestable, se seguir desintegrando a otro, y as sucesivamente, dando lugar de esta manera a una serie radioactiva.Las series radioactivas naturales ms importantes son tres: la del uranio, la del actino y la del torio. En las tres el producto final es un istopo del plomo, si bien es distinto en cada caso.

RADIOACTIVIDAD INDUCIDA: REACCIONES DE BOMBARDEO.

Una reaccin de bombardeo es aquella en la que sobre un ncleo atmico se lanza una partcula subatmica a modo proyectil. El ncleo que es el blanco de dicho proyectil, bajo su impacto, puede sufrir una transformacin que generalmente da lugar a la formacin de ncleos diferentes. En ese ncleo se ha producido o provocado una transmutacin artificial.Los elementos ligeros, aunque no suelen ser radioactivos, al ser bombardeados con determinadas partculas dan lugar a nclidos que s lo son, por lo cual sufrirn espontneamente una desintegracin. Se consiguen de esta manera istopos radioactivos de determinadas elementos que al desintegrarse pueden utilizarse para distintos fines, desde aprovechar las radiaciones que emiten para otras nuevas reacciones de bombardeo hasta emplearlos en gran variedad de aplicaciones.Las reacciones de bombardeo tambin se escriben de forma abreviada:

+ + Es lo mismo que; 27Al (, n) 30PComo proyectiles tambin se emplean otras partculas, como: protones, deuterones, electrones, etc. Los neutrones son los ms adecuados porque al no tener carga no sern repelidos por la fuerte carga elctrica positiva de los ncleos. En el caso de emplear como proyectiles como carga elctrica positiva, debern tener una elevada energa cintica a fin de vencer la repulsin electroesttica del ncleo al que van dirigidos, y tambin la repulsin entre ellas mismas. Esto se consigue a travs de un acelerador de partculas, que consigue aumentar la velocidad de las especies cargadas hasta que adquiera la energa cintica para poder colisionar con el blanco de forma eficaz.

CINTICA DE LA DESINTEGRACIN RADIOACTIVA:

La velocidad de desintegracin de un material radioactivo, llamada velocidad de desintegracin o actividad, es directamente proporcional al nmero de nclidos presentes. Donde la expresin es una constante de velocidad de primer orden, llamado constante de desintegracin de un ncleo radioactivo.La velocidad de desintegracin de un ncleo depender, pues, de la identidad del ncleo, pero no de su forma qumica ni de a temperatura.Segn la ecuacin general para las cinticas de primer orden, se podr conocer el nmero de ncleos radioactivos que quedan en la muestra al cabo de un tiempo t (Nt), sabiendo que esta muestra inicialmente N0 ncleos radioactivos ( a un tiempo 0):

Puede calcularse otro parmetro sumamente importante en los procesos radioactivos, la semivida o, tiempo o periodo de semidesintegracin y se representa t1/2. Es el tiempo necesario para que reaccionen la mitad de los reactantes y, en el caso de las reacciones nucleares, sera el tiempo necesario para desintegrarse la mitad de los ncleos radioactivos presentes en la muestra. Cuando t = t1/2, por definicin Nt = N0:

DETECTORES DE LA RADIACIN NUCLAR:

Se puede medir la intensidad de una radiacin determinando la velocidad a la cual un ncleo radioactivo se desintegra. La cmara de burbujas se emplea sobre todo por las radiaciones de alta energa, como es la radiacin gamma. Consta de un recipiente con un fluido transparente, generalmente hidrgeno lquido, que cuando por la radiacin comienza a hervir a lo largo de su trayectoria, formando una lnea de burbujas cuyo rastro se puede fotografiar y analizar.

FISIN NUCLEAR: CARA Y CRUZ DE LA ENERGA NUCLAR.

Se conoce como fisin nuclear al proceso en el que un ncleo pesado (de nmero de masa superior a 200) se divide para formar ncleos ms ligeros, de masa intermedia, y uno o ms neutrones. + + + 3El gran inters de esta reaccin nuclear no es solamente la gran cantidad de energa que se libera, sino que en ella se producen tres neutrones, es decir: el triple que los neutrones que fueron necesarios para capturarla (uno). Se podra generar una secuencia de reacciones de fisin nuclear autosuficientes, liberando una enorme cantidad de energa.

BOMBA ATMICA:

Un aspecto clave para su diseo y fabricacin es lo que se conoce como masa crtica. Para que se produzca la reaccin en cadena es necesario que los neutrones desprendidos puedan ser capturados de nuevo. La masa crtica sera el valor mnimo de masa necesario para que esto ocurra y se produzca la fisin. Si la masa fuera menor, mucho de los neutrones desprendidos se perderan al escapar de la muestra y la reaccin no progresara.

REACTORES NUCLEARES:

Aprovechan la enorme cantidad de calor desprendido para generar electricidad. Se trata tambin de una fisin en cadena, pero controlada. Esto se consigue limitando el nmero y energa de los neutrones disponibles.La energa que se origina en estos procesos se utiliza como fuente de calor en una planta elctrica (plantas nucleoelctricas). La forma en que han superado las dificultades tcnicas han conducido a distintos modelos de reactores nucleares.

RIESGOS DE LA ENERGA NUCLEAR:

Los productos de la fisin nuclear son istopos radioactivos, en general de largas semividas y, adems, sumamente peligrosos. El problema de estos residuos radioactivos, en cuanto a su almacenaje y eliminacin, an no se ha logrado resolver satisfactoriamente. Con este fin se han construido cementerios subterrneos, enterrndolos en el fondo marino o en formaciones geolgicas estables de gran profundidad.Tambin no se puede obviar el peligro de que ocurran accidentes, lo cual supone un riesgo no tan remoto como a veces se pretende demostrar.

FUSIN NUCLEAR:

Si dos muy ligeros se combinan para formar otro ms grande, se liberar una considerable cantidad de energa. Este proceso es una fusin nuclear, o combinacin de combinacin de ncleos pequeos para dar lugar a otros mayores. Un ejemplo:4 + 2 Para que las reacciones tengan lugar se necesita temperaturas muy elevadas, entre 106 y 107 K, por lo que tambin se llaman reacciones termonucleares.

BOMBA DE HIDRGENO:

La base de la bomba de hidrgeno es una reaccin de fusin no controlada. Se construye con deuteruro de litio (LiD), que es slido, por lo que se puede empaquetar con facilidad en lugar de tener que trabajar con hidrgeno y deuterio gaseosos. La energa de activacin para la reaccin de fusin se consigue mediante una reaccin de fisin. As, la detonacin se producira a travs de dos etapas, fusin-fisin; es decir, sera una combinacin de bomba atmica-bomba de hidrgeno. En el caso de la bomba de hidrgeno no hay masa crtica y las cantidades de energa liberadas son enormes. Estas bombas termonucleares son ms limpias que las atmicas porque los istopos radioactivos que se forman son solamente los producidos en la reaccin previa de fisin, y el tritio, originado en la propia reaccin de fusin, pero que es un emisor dbil de las partculas alfa.

REACTORES DE FUSIN:

La fusin nuclear presenta algunas ventajas respecto a la fisin:

En primer lugar, se parte del deuterio, con lo que el combustible sera barato y, prcticamente, inagotable. En segundo lugar, se generan muy pocos residuos radioactivos.

Pese a ello, hay que vencer una serie de impedimentos tecnolgicos que hasta el momento no se han podido resolver. Ello se debe a que para que tenga lugar la fusin nuclear es necesario superar la fuerte repulsin de los ncleos, lo que exige temperaturas elevadsimas del orden de 107 Kelvin. A tan altas temperaturas las molculas ya no pueden existir como tales, y los tomos quedaran despojados de sus electrones. La materia est totalmente ionizada, convirtindose as en una mezcla gaseosa de iones positivos y electrones, lo que se conoce como plasma. Resulta imposible encontrar un material con que retener este plasma. Para ello, se ha diseado algunas alternativas, como es su confinamiento en un campo magntico o utilizar rayos lser de alta potencia para iniciar la reaccin de fusin.

APLICACIONES DE LOS ISTOPOS RADIOACTIVOS:

DATACIN ISOTPICA:

Como la semivida de cualquier nclido es una constante caracterstica del mismo, determinados istopos radioactivos pueden hacer las veces de un reloj nuclear para sealar la antigedad de diversos materiales.

Dotacin de materiales orgnicos:

Se utiliza con este fin el carbono-14. Este istopo se forma en las altas capas de la atmsfera por bombardero de N-14 con neutrones producidos por los rayos csmicos. El carbono-14 se incorpora al CO2 y est, a su vez, se introduce a las plantas mediante el proceso de fotosntesis. Cuando los animales comen las plantas, entra tambin en su organismo este carbono-14. Mientras los organismos estn vivos, incorporan continuamente este carbono, con lo que consiguen mantener en sus biomolculas una relacin de 14C a 12C constante e idntica a la de la atmsfera. Pero cuando mueren, este equilibrio se destruye porque un organismo muerto ya no absorbe nuevos tomos de carbono-14, y la cantidad de ste va disminuyendo a medida que se desintegra.La antigedad de un objeto de origen orgnico puede estimarse midiendo esta relacin y comparndola con la atmsfera.

Dotacin de minerales: antigedad de la Tierra:

Otros istopos permiten fechar materiales de tipo inorgnico. El uranio-238 es el inicio de una cadena de desintegraciones que termina en un istopo estable del plomo, el plomo-206. Segn el valor de la semivida del uranio-238, 4,5 x 109 aos, deber transcurrir este periodo de tiempo para que la mitad de una muestra de uranio-238 se desintegre a plomo-206. De esta manera, es fcil deducir que se puede determinar la antigedad de rocas que contienen uranio, simplemente midiendo la relacin uranio-238 a plomo-206.