trabajo de qumica general

8/6/2019 Trabajo de Qumica General

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LOS INICIOS DE LA QUIMICA Las primeras experiencias del hombre como qumico se dieron con la utilizacin del fuego en latransformacin de la materia. La obtencin de hierro a partir del mineral y de vidrio a partir dearena son claros ejemplos. Poco a poco el hombre se da cuenta de que otras sustanciastambin tienen este poder de transformacin. Gran empeo fue dedicado a buscar unasustancia que transformara un metal en oro, lo que llevo a la creacin de la alquimia. Laacumulacin de experiencias alqumicas jug un papel vital en el futuro establecimiento de laqumica.La qumica, es una ciencia emprica. Ya que estudia las cosas, por medio del mtodo cientfico.O sea, por medio de la observacin, la cuantificacin y por sobretodo, la experimentacin. Ensu sentido ms amplio, la qumica, estudia las diversas sustancias que existen en nuestroplaneta. Asimismo, las reacciones, que las transforman, en otras sustancias. Como porejemplo, el paso del agua lquida, a la slida. O del agua gaseosa, a la lquida. Por otra parte,la qumica, estudia la estructura de las sustancias, a su nivel molecular. Y por ltimo, pero nomenos importante, sus propiedades.

DE LA ALQUIMIA A LA QUMICA La aparicin de la ciencia que llamamos "Qumica" requiere un proceso histrico ms dilatado ylento que otras ramas de la ciencia moderna. Tanto en la antigedad como en la Edad Mediase contemplan denodados esfuerzos por conocer y dominar de alguna forma los elementosmateriales que constituyen el entorno fsico que nos rodea. Averiguar cules sean loselementos originarios de los que estn hechos todas las cosas as como establecer suscaractersticas, propiedades y formas de manipulacin son las tareas primordiales que seencaminan al dominio efectivo de la naturaleza. No es, pues, extrao que en sus primerosbalbuceos meramente empricos los resultados no tengan otro carcter que el quedenominamos "mgico": la magia como conocimiento de la realidad que se oculta tras laapariencia de las cosas y como prctica que permite actuar sobre ellas segn nuestra voluntad.

La transicin: del empirismo al mtodo cientfico

La transicin: del empirismo al mtodo cientfico

Robert Boyle (1627-1691)

ROBERT BOYLE, EL QUMICO ESCPTICO. Robert Boyle (1627-1691) destruy las teoras alquimistas y sent algunas de las bases de laQumica Moderna con al publicacin de su obra El qumico escptico en 1667. Su importanciase debe sobre todo a que introdujo el mtodo analtico. Atac la teora de los cuatro elementosde Aristteles, y estableci el concepto de elemento qumico (sustancia inmutable eindestructible incapaz de descomposicin) y compuesto qumico (combinacin de elementos).


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Estudi tambin el comportamiento de los gases; defini el cido como la sustancia que puedehacer variar el color de ciertos jugos vegetales; analiz sales por medio de reacciones deidentificacin, etc.Realiz importantes experimentos sobre las propiedades de los gases, lacalcinacin de los metales y la distincin entre cidos y lcalis. Junto con Edme Mariotteenunci la ley de Boyle y Mariotte: a temperatura constante, el producto de la presin a que sehalla sometido un gas ideal por su volumen es constante.

Una nueva ciencia: la QumicaAntoine de Lavoisier (1743-1794)Lavoisier y el mtodo cientficoLavoisier (1743-1794). La gran labor de Lavoisier fue tanto a nivel experimental como, sobretodo porque fue capaz de sistematizar y elaborar leyes fundamentales. Antoine LaurentLavoisier aplic el mtodo analtico cuantitativo. Determin las propiedades del oxgeno y diouna explicacin al fenmeno de la combustin, desplazando al hiptesis flogista; a partir de ahfue posible generalizar la idea de xido, cido y sal, y de esta manera sistematizar losconocimientos de la poca y establecer la nomenclatura de al Qumica Moderna.Formul la ley de la conservacin de la materia. Afirm que los alimentos se oxidan lentamentedurante el perodo de asimilacin y dio una explicacin correcta de la funcin respiratoria.Llev a cabo una serie de experimentos que incluan reacciones qumicas en frascos cerrados.Demostr que la suma de las masas de las sustancias que intervienen en una reaccin es iguala la suma de las masas de las sustancias que se obtienen de ella; fundamento experimentalpara la ley de la conservacin de la masa.

La Qumica se sistematiza: la Tabla Peridica

Dmitri Ivanovich Mendeleev (18341907)

Julius Lothar Meyer (18301895)La semejanza de las propiedades f sicas y qumicas de ciertos elementos sugiri a los


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cientficos del siglo XIX la posibilidad de ordenarlos sistemticamente o agruparlos de aacuerdo con determinado criterio.En el ao 1869, el genial qumico ruso Dimitri Mendeleiev se propuso hallar una ley de lanaturaleza, vlida para toda clasificacin sistemtica de los elementos. Clasific todos loselementos conocidos en su poca en orden creciente de sus pesos atmicos, estableciendouna relacin entre ellos y sus propiedades qumicas.Independientemente, el alemn Lothar Meyer propuso una clasificacin de los elementos

relacionando los pesos atmicos con las propiedades fsicas, tales como el punto de fusin, deebullicin, etc.En su clasificacin, Mendeleiev no consider el hidrogeno porque sus propiedades nocoincidan con las de otros elementos. Tampoco figuran en ella los gases nobles, porque nohaban sido descubiertos aun.La ley peridica de Mendeleiev puede ser enunciada del siguiente modo: los elementos estnreunidos en grupos y perodos.De la clasificacin y sus comprobaciones experimentales se deduce que las propiedadesqumicas de los tomos se repiten peridicamente; esto se convierte en una ley natural aunqueen la actualidad no se expresa en funcin del peso atmico, sino del nmero atmico.

QUIMICA MODERNA, ENTRE LA RADIACTIVIDAD Y LOS ENLACES QUMICOS.

Linus Pauling (1901-1994), premio Nbel de Qumica en 1954 y de la Paz en 1964

Los Premios Nbelde Qumica

Antoine Henry Becquerel, estudiando la fluorescencia, descubri que algunas sustanciasemiten espontneamente, sin estimulacin previa, y de manera continua, radiacin. Como seacababan de descubrir los rayos X, pens que lo que emitan las sustancias radiactivas era unaradiacin semejante. Hoy sabemos que esa radiacin incluye rayos gamma y dos tipos de

partculas que salen a gran velocidad: a y b. Las radiaciones gamma son ondaselectromagnticas (ms energticas que los rayos X). En realidad, incluso la radiacinluminosa, contienen fotones que se comportan como partculas.

Linus Carl Pauling fue uno de los primeros qumicos cunticos, y recibi el Premio Nobel deQumica en 1954, por su trabajo en el que describa la naturaleza de los enlaces qumicos.Pauling es una de las pocas personas que han recibido el Premio Nobel en ms de unaocasin, pues tambin recibi el Premio Nobel de la Paz en 1962, por su campaa contra


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las pruebas nucleares terrestres. Hizo contribuciones importantes a la definicin de laestructura de loscristales y protenas, y fue uno de los fundadores de la biologa molecular

TEORIA ATOMICA DE DALTON

La teora atmico-molecular clsica tiene por base la teora atmica de Dalton.Existe entre estas dos teoras algunas diferencias fundamentales. Para Dalton, lapartcula mas pequea de una sustancia era el tomo.Si la sustancia

era simple, Dalton hablaba de "tomos simples"; por ejemplo de cloro, de hidrogeno, etc.Si la sustancia era compuesta, Dalton hablaba de "tomos compuestos"; por ejemplo deagua. En realidad, los "tomos" de Dalton, son las partculas que nosotros l lamamosmolculas Los siguientespostulados, son los que constituyen la teora atmico-molecularclsica:

1 - Toda la materia es discreta y esta formada por partculas pequeas, definidas eindestructibles denominadas tomos, que son indivisibles por los mtodos qumicosordinarios,


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2 - Los tomos de un mismo elemento son iguales y tienen las mismas propiedades; lostomos de elementos distintos son diferentes y tienen propiedades tambin diferentes

3 - Las molculas se forman por la unin de un numero entero de tomos del mismo o dedistintos elementos, en relacionesnumricas simples. (1:1; 2:1; 3:2; etc. )

En el siguiente ejemplo se representa la formacin de una molcula de cloro Cl2, a partir

de dos tomos de cloro: relacionnumrica 1:1

En el siguiente ejemplo se representa la formacin de una molcula de oxigeno O2 y unade hidrogeno H2:

En el siguiente ejemplo se representa la formacin de dos molculas de agua, a partir deuna molcula de oxigeno y dos de hidrogeno, relacin numrica 2:1


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4 - Las sustancias simples y compuestas estan constituidas por moleculas.

5 - Las moleculas de una misma sustancia son iguales en todos sus aspectos y distintasa las de otras sustancias,

6 Las moleculas de las sustancias simples estan formadas por atomos iguales (delmismo elemento). Cuando el numero deatomos que forma la molecula de una sustanciasimple es uno, la molecula de esta sustancia se identifica con el atomo del elementocorrespondiente.

7 - Las moleculas de las sustancias compuestas estan formadas por atomos de por lomenos dos elementos diferentes. El numero de atomos de cada elemento que intervieneen la formacion de una molecula de una misma sustancia compuesta, es el mismo paratodas las moleculas de la misma sustancia.


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electrostticos en los planos horizontal y vertical permiti la visualizacin de los voltajes

aplicados a los deflectores. De esta forma, el tubo fue eventualmente desarrollado como el

display del osciloscopio (un artefacto de diagnstico y visualizacin de uso en electrnica). Este

fue desarrollado an ms como un display para radar ytelevisin usando coils magnticos

externos para enfocamiento y defleccin. El principio de la mscara de sombra fue usado en

displays para televisiones a color.

Tambin se observ que la aplicacin de alto voltaje (por ejemplo, 25.000 voltios) al nodo en

un tubo de alto vaco producira rayos X(observados por la inadvertida neblina del rollo

fotogrfico, incluso cuando estaba dentro de un contenedor a prueba de luz). Tubos

especializados fueron desarrollados, que reemplazaron el fsforo con un objetivo de metal y

que enfocaban el rayo en una pequea rea para ayudar en la obtencin de una fuente puntual

de los rayos -esto producira entonces una imagen ntida del material interviniente en el rollo-


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donde v1 es la velocidad terminal (es decir, la velocidad en ausencia de campo elctrico)

de la gota que cae, es la viscosidad del aire, y res el radio de la gota.

El peso Fg es el volumen Vmultiplicado por la densidad por la viscosidad y la

aceleracin de la gravedad g. terminal de la gota de aceite no hay aceleracin. As la

fuerza total que acta sobre ella debe ser cero. As las dos fuerzas FE y Fg deben

cancelarse una a otra (esto es, FE = Fg). Esto implica que:

Una vez se ha calculado r, Fg puede calcularse fcilmente.

Ahora el campo se vuelve a encender, y la fuerza elctrica sobre la gota es:

donde q es la carga de la gota de aceite y Ees el campo elctrico entre las

placas. Para placas paralelas:

donde Ves la diferencia de potencial y des la distancia entre las placas.

Una de las formas concebibles para calcularq sera ajustarVhasta que

la cada dela gota de aceite se mantenga estable. Entonces podramos

igualarFE con Fg. Pero en la prctica esto es muy difcil hacerlo con

precisin. Adems, la determinacin deFE resulta difcil debido a que la

masa de la gota de aceite es difcil de determinar sin volver de nuevo a la

utilizacin de la Ley de Stokes. Un enfoque ms prctico es hacer

deVhasta un poco mayor para que la gota de aceite se eleve con una

nueva velocidad terminal v2. Entonces:

[editar]Acusaciones de fraude

Existe cierta controversia planteada por el historiador GeraldHolton sobre el uso de la selectividad en los resultados de Millikan

de su segundo experimento para la medicin de la carga del

electrn. Holton (1978) seal que Millikan descart un gran

conjunto de las gotas de aceite obtenidas en sus experimentos sin

razn aparente. Allan Franklin, un antiguo investigador en alta

energa y actual filsofo de la ciencia en la Universidad de


13/58

Colorado ha tratado de rebatir este punto de Holton.4 Franklin afirma

que las exclusiones de Millikan de datos no afectan el valor final de

la e que Millikan obtuvo, pero admite que hubo una sustancial

"ciruga esttica" que realiz Millikan y que tuvo el efecto de reducir

el error estadstico en e. Esto permiti a Millikan citar que haba

calculado e con un error menor que una media del uno por ciento,

de hecho, si Millikan hubiese incluido todos los datos que obtuvo,

habra sido del 2%. Aunque todo esto podra haberse traducido en

que Millikan haba medido el valor de e, mejor que nadie en ese

momento, la incertidumbre de un poco ms grande podra haber

permitido un mayor desacuerdo con sus resultados en la comunidad

de fsicos. David Goodstein cuenta que Millikan establece

claramente que solamente incluy las gotas que se haban sometido

a "una serie completa de observaciones" y no excluy ninguna gota

de este grupo.5

[editar]El experimento de Millikan y la pseudociencia (cargo cult

science)

En un discurso de apertura dado en el Instituto Tecnolgico de

California (Caltech) en 1974 (y reimpreso en Est usted de broma,

Sr. Feynman?), el fsicoRichard Feynman seal:

Hemos aprendido mucho de la experiencia sobre cmo manejar

algunas de las formas en que nos engaamos a nosotros mismos.Un ejemplo: Millikan midi la carga de un electrn en un

experimento de caida de gotas de aceite, y recibi una respuesta

que ahora sabemos que no tiene toda la razn. Est un poco

agarrado por los pelos porque tena elvalor incorrecto para la

viscosidad de aire. Es interesante observar la historia de las

mediciones de la carga de un electrn, despus de Millikan. Si se

dibuja una grafica de la medida de la carga en funcin del tiempo,

se descubre que uno dato es un poco ms grande que el de

Millikan, y el siguiente es un poco ms grande que ese, y elsiguiente es un poco ms grande que ese, hasta que finalmente se

asientan en un nmero que es mayor.

Por qu no descubrieron que el nuevo nmero era el inmediato

superior?. Es algo de lo que los cientficos se avergenzan - de esta

historia - porque es evidente que la gente pensaba cosas como

esta: Cuando llegaron a un nmero que era demasiado alto por


14/58

enci

el

e

illi

n, pensaron uealgo

ebaser incorrecto

buscaron encontraronunaraznpor la uealgopodraser

errneo. uando llegaronaunnmerocercanoal valorde

illi

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no lespareci tandifcil. Yaseliminaron losnmeros ueestaban

demasiado lejos, otrascosasporelestilo.

emosaprendidoesos

trucos

oyenda, yahorano tenemosese tipodemal.6

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16/58

Radiactiidad

iagramade Segr. El color i

dicael eriodode

emidesi

tegraci

de los istoposradiacti

os

conocidos, tambi

n llamadosemiida.

aradiacti idad(con frecuenciamal llamadaradioacti idad) ioni ael medio

ueatraviesa.

naexcepcin loconstituyeel neutrn,

uenoposeecarga, pero ioni a lamateriaen forma

indirecta. En lasdesintegracionesradiactivasse tienenvarios tiposde

radiacin: alfa, beta, gammayneutrones.

aradiactividadpuedeconsiderarseun fenmeno fsiconatural porel cual algunoscuerpos

oelementos umicos, llamadosradiactivos, emitenradiaciones ue tienen lapropiedadde

impresionarplacas fotogrficas, ioni argases, producirfluorescencia, atravesarcuerpos

opacosa la luzordinaria, etc.

ebidoaesacapacidad, se lessueledenominarradiaciones

ionizantes(encontrastecon lasno ionizantes).

asradiacionesemitidaspuedenser

electromagnticas, en formaderayos X orayosgamma, obiencorpusculares, comopueden

serncleosde

elio, electronesopositrones, protonesuotras. Enresumen, esun fenmeno

ueocurreen losncleosdeciertoselementos,

uesoncapacesde transformarseenncleosdetomosdeotroselementos.

aradiactividadesunapropiedadde losistopos

uesoninestables", esdecir,

uese

mantienenenunestadoexcitadoensuscapaselectrnicasonucleares, con lo

ue, para

alcanzarsuestado fundamental, debenperderenerga.

o

acenenemisiones

electromagnticasoenemisionesdepartculasconunadeterminadaenergacintica. Estose

producevariando laenergadesuselectrones(emitiendorayos X)odesusnucleones(rayo


17/58

gamma) o variando el istopo (al emitir desde el

ncleo electrones, positrones,neutrones, protones o partculas ms pesadas), y en varios

pasos sucesivos, con lo que un istopo pesado puede terminar convirtindose en uno mucho

ms ligero, como el uranio que, con el transcurrir de los siglos, acaba convirtindose en plomo.

La radiactividad se aprovecha para la obtencin de energa nuclear, se usa en medicina(radioterapia yradiodiagnstico) y en aplicaciones industriales (medidas de espesores y

densidades, entre otras).

La radiactividad puede ser:

Natural: manifestada por los istopos que se encuentran en la naturaleza.

Artificial o inducida: manifestada por los radioistopos producidos en transformaciones

artificiales.

Radiactividad natural

Vanse tambin: Radiactividad natural, Rayos csmicos y Redradna

En 1896 Henri Becquerel descubri que ciertas sales de uranio emiten radiaciones

espontneamente, al observar que velaban las placas fotogrficas envueltas en papel negro.

Hizo ensayos con el mineral en caliente, en fro, pulverizado, disuelto en cidos y la intensidad

de la misteriosa radiacin era siempre la misma. Por tanto, esta nueva propiedad de la materia,

que recibi el nombre de radiactividad, no dependa de la forma fsica o qumica en la que se

encontraban los tomos del cuerpo radiactivo, sino que era una propiedad que radicaba en el

interior mismo del tomo.

El estudio del nuevo fenmeno y su desarrollo posterior se debe casi exclusivamente al

matrimonio de Marie y Pierre Curie, quienes encontraron otras sustancias radiactivas: el torio,

el polonio y el radio. La intensidad de la radiacin emitida era proporcional a la cantidad

de uranio presente, por lo que Marie Curie dedujo que la radiactividad es una propiedad

atmica. El fenmeno de la radiactividad se origina exclusivamente en el ncleo de los tomos

radiactivos. Se cree que se origina debido a la interaccin neutrn-protn. Al estudiar la

radiacin emitida por el radio, se comprob que era compleja, pues al aplicarle un campo

magntico parte de ella se desviaba de su trayectoria y otra parte no.

Pronto se vio que todas estas reacciones provienen del ncleo atmico que describi ErnestRutherford en 1911, quien tambin demostr que las radiaciones emitidas por las sales de

uranio pueden ionizar el aire y producir la descarga de cuerpos cargados elctricamente.

Con el uso del neutrino, partcula descrita en 1930 por Wolfgang Pauli pero no medida sino

hasta 1956 por Clyde Cowan y sus colaboradores, consigui describirse la radiacin beta.


18/58

En 1932 James Chadwick descubri la existencia del neutrn que Pauli haba predicho

en 1930, e inmediatamente despus Enrico Fermi descubri que ciertas radiaciones emitidas

en fenmenos no muy comunes de desintegracin son en realidad neutrones.

Radiactividad artificial

La radiactividad artificial, tambin llamada radiactividad inducida, se produce cuando se

bombardean ciertos ncleos estables con partculas apropiadas. Si la energa de estas

partculas tiene un valor adecuado, penetran el ncleo bombardeado y forman un nuevo ncleo

que, en caso de ser inestable, se desintegra despus radiactivamente. Fue descubierta por los

esposos Jean Frdric Joliot-Curie e Irne Joliot-Curie, bombardeando ncleos de boro y

de aluminio conpartculas alfa. Observaron que las sustancias bombardeadas emitan

radiaciones despus de retirar el cuerpo radiactivo emisor de las partculas de bombardeo.

En 1934 Fermi se encontraba en un experimento bombardeando ncleos deuranio con los

neutrones recin descubiertos. En 1938, en Alemania, Lise Meitner,Otto Hahn y FritzStrassmann verificaron los experimentos de Fermi. En 1939 demostraron que una parte de los

productos que aparecan al llevar a cabo estos experimentos era bario. Muy pronto confirmaron

que era resultado de la divisin de los ncleos de uranio: la primera observacin experimental

de la fisin. EnFrancia, Jean Frdric Joliot-Curie descubri que, adems del bario, se emiten

neutrones secundarios en esa reaccin, lo que hace factible la reaccin en cadena.

Tambin en 1932, Mark Oliphant teoriz sobre la fusin de ncleos ligeros (de hidrgeno), y

poco despus Hans Bethe describi el funcionamiento de las estrellas con base en este

mecanismo.

El estudio de la radiactividad permiti un mayor conocimiento de la estructura del ncleo

atmico y de las partculas subatmicas. Se abri la posibilidad de convertir unos elementos en

otros. Incluso se hizo realidad el ancestral sueo de los alquimistas de crear oro a partir de

otros elementos... aunque en trminos prcticos no resulte rentable.


19/58

Clasesycomponentesde laradiacin

Clasesderadiacin ionizanteycmodetenerla.

aspartculasalfa(ncleosde

elio)sedetienenal interponeruna

ojadepapel.

as

partculasbeta(electronesypositrones)nopuedenatravesarunacapadealuminio. Sin

embargo, losrayosgamma(fotonesdealtaenerga)necesitanunabarreramuchomsgruesa,

y losmsenergticospuedenatravesarel plomo.

Secomprob ue laradiacinpuedeserde tresclasesdiferentes, conocidas

comopartculas,desintegracionesyradiacin:

1. Partculaal

a: Son flujosdepartculascargadaspositivamentecompuestaspordos

neutronesydosprotones(ncleosdehelio). Sondesviadasporcamposelctricosy

magnticos. Sonpocopenetrantes, aunquemuy ionizantes. Sonmuyenergticas.

uerondescubiertasporRutherford, quienhizopasarpartculasalfaa travsdeun

finocristal y lasatrapenun tubodedescarga. Este tipoderadiacin laemiten

ncleosdeelementospesadossituadosal final de latablaperidica(A >100). Estos

ncleos tienenmuchosprotonesy larepulsinelctricaesmuy fuerte, porloque

tiendenaobtener

aproximadamente igual a , yparaelloseemiteunapartculaalfa.

Enel procesosedesprendemuchaenerga, queseconvierteen laenergacinticade

lapartculaalfa, por loqueestaspartculassalenconvelocidadesmuyaltas.


20/58

2. Desinte

racin beta: Son flujos de electrones (beta negativas) o positrones (beta

positivas) resultantes de la desintegracin de los neutrones o protones del ncleo

cuando ste se encuentra en un estado excitado. Es desviada por campos

magnticos. Es ms penetrante, aunque su poder de ionizacin no es tan elevado

como el de las partculas alfa. Por lo tanto, cuando un tomo expulsa una partcula

beta, su nmero atmico aumenta o disminuye una unidad (debido al protn ganado o

perdido). Existen tres tipos de radiacin beta: la radiacin beta-, que consiste en la

emisin espontnea de electrones por parte de los ncleos; laradiacin beta+, en la

que un protn del ncleo se desintegra y da lugar a un neutrn, a un positrn o

partcula Beta+ y un neutrino, y por ltimo la captura electrnica que se da en ncleos

con exceso de protones, en la cual el ncleo captura un electrn de la corteza

electrnica, que se unir a un protn del ncleo para dar un neutrn.

3. Radiacin

amma: Se trata de ondas electromagnticas. Es el tipo ms penetrante

de radiacin. Al ser ondas electromagnticas de longitud de onda corta, tienen mayor

penetracin y se necesitan capas muy gruesas de plomo u hormign para detenerlas.

En este tipo de radiacin el ncleo no pierde su identidad, sino que se desprende de la

energa que le sobra para pasar a otro estado de energa ms baja emitiendo los rayos

gamma, o sea fotones muy energticos. Este tipo de emisin acompaa a las

radiaciones alfa y beta. Por ser tan penetrante y tan energtica, ste es el tipo ms

peligroso de radiacin.

Las leyes de desintegracin radiactiva, descritas por Frederick Soddy y Kasimir Fajans, son:

Cuando un tomo radiactivo emite una partcula alfa, la masa del tomo (A) resultante

disminuye en 4 unidades y el nmero atmico (Z) en 2.

Cuando un tomo radiactivo emite una partcula beta, el nmero atmico (Z) aumenta o

disminuye en una unidad y la masa atmica (A) se mantiene constante.

Cuando un ncleo excitado emite radiacin gamma, no vara ni su masa ni su nmero

atmico: slo pierde una cantidad de energa h(donde "h" es laconstante de Planck y ""

es la frecuencia de la radiacin emitida).

Las dos primeras leyes indican que, cuando un tomo emite una radiacin alfa o beta, se

transforma en otro tomo de un elemento diferente. Este nuevo elemento puede ser radiactivo

y transformarse en otro, y as sucesivamente, con lo que se generan las llamadas seriesradiactivas.

Causa de la radiactividad

En general son radiactivas las sustancias que no presentan un balance correcto

entre protones o neutrones, tal como muestra el grfico al inicio del artculo. Cuando el nmero

de neutrones es excesivo o demasiado pequeo respecto al nmero de protones, se hace ms


21/58

difcil que la fuerzanuclearfuertedebidaal efectodel intercambiodepionespueda

mantenerlosunidos. Eventualmente, el desequilibriosecorrigemediante la liberacindel

excesodeneutronesoprotones, en formadepartculas quesonrealmentencleosdehelio,

ypartculas , quepuedenserelectronesopositrones. Estasemisiones llevanados tiposde

radiactividad, yamencionados:

Radiacin , quealigera losncleosatmicosen4unidadesmsicas, ycambiael nmero

atmicoendosunidades.

Radiacin , quenocambia lamasadel ncleo, yaque implica laconversindeunprotn

enunneutrnoviceversa, ycambiael nmeroatmicoenunasolaunidad(positivao

negativa, segnsi lapartculaemitidaesunelectrnounpositrn).

aradiacin, porsuparte, sedebeaqueel ncleopasadeunestadoexcitadodemayor

energaaotrodemenorenerga, quepuedeseguirsiendo inestableydar lugara laemisinde

msradiacinde tipo , o .

aradiacin es, por tanto, un tipoderadiacinelectromagnticamuypenetrante, yaque tieneunaaltaenergaporfotnemitido.

Smbolo

Smboloutilizado tradicionalmentepara indicar lapresenciaderadiactividad.


22/58

Nuevo smbolo de advertencia de radiactividad adoptado por la ISO en 2007 para fuentes que

puedan resultar peligrosas. Estandard ISO #21482.

El 15 de marzo de 1994, la Agencia Internacional de la Energa Atmica (AIEA) dio a conocer

un nuevo smbolo de advertencia de radiactividad con validez internacional. La imagen fue

probada en 11 pases.

Contador Gei

er

Un contador Geiger es un instrumento que permite medir la radiactividad de un objeto o lugar.

Cuando una partcula radiactiva se introduce en un contador Geiger, produce un breve impulso

de corriente elctrica. La radiactividad de una muestra se calcula por el nmero de estos

impulsos. Est formado, normalmente, por un tubo con un fino hilo metlico a lo largo de su

centro. El espacio entre ellos est aislado y relleno de un gas, y con el hilo a unos 1000 voltios

relativos con el tubo. Un in o electrn penetra en el tubo (o se desprende un electrn de lapared por los rayos X o gamma) desprende electrones de los tomos del gas y que, debido al

voltaje positivo del hilo central, son atrados hacia el hilo. Al hacer esto ganan energa,

colisionan con los tomos y liberan ms electrones, hasta que el proceso se convierte en un

alud que produce un pulso de corriente detectable. Relleno de un gas adecuado, el flujo de

electricidad se para por s mismo o incluso el circuito elctrico puede ayudar a pararlo. Al

instrumento se le llama un "contador" debido a que cada partcula que pasa por l produce un

pulso idntico, permitiendo contar las partculas (normalmente de forma electrnica) pero sin

decirnos nada sobre su identidad o su energa (excepto que debern tener energa suficiente

para penetrar las paredes del contador). Los contadores de Van Allen estaban hechos de unmetal fino con conexiones aisladas en sus extremos.

Periodo de semidesintegracin radiactiva

La desintegracin radiactiva se comporta en funcin de la ley de decaimiento exponencial:

N(t) = N0e! t,

donde:

N(t) es el nmero de radionclidos existentes en un instante de tiempo t.

N0 es el nmero de radionclidos existentes en el instante inicial t= 0.

, llamada constante de desintegracin radiactiva, es la probabilidad de desintegracin por

unidad de tiempo. A partir de la definicin de actividad (ver Velocidad de desintegracin),

es evidente que la constante de desintegracin es el cociente entre el nmero de

desintegraciones por segundo y el nmero de tomos radiactivos ( ).


23/58

Se llama tiempo de vida o tiempo de vida media de un radioistopo el tiempo promedio de vida

de un tomo radiactivo antes de desintegrarse. Es igual a la inversa de la constante de

desintegracin radiactiva ( ).

Al tiempo que transcurre hasta que la cantidad de ncleos radiactivos de un istopo radiactivo

se reduzca a la mitad de la cantidad inicial se le conoce comoperiodo de semidesintegracin,perodo, semiperiodo, semivida o vida media (no confundir con el ya mencionado tiempo de

vida) ( ). Al final de cada perodo, la radiactividad se reduce a la mitad de

la radiactividad inicial. Cada radioistopo tiene un semiperiodo caracterstico, en general

diferente del de otros istopos.

Ejemplos:

Istopo Periodo Emisin

Uranio-238 4510 millones de aos Alfa

Carbono-14 5730 aos Beta

Cobalto-60 5,271 aos Gamma

Radn-222 3,82 das Alfa

Velocidad de desintegracin

La velocidad de desintegracin o actividad radiactiva se mide en Bq, en el SI. Un becquerel

vale 1 desintegracin por segundo. Tambin existen otras unidades: elrutherford, que equivale

a 106 desintegraciones por segundo, o el curio, Ci, que equivale idnticamente a

3,71010 desintegraciones por segundo (unidad basada en la actividad de 1 g de 226Ra que es

cercana a esa cantidad).

La velocidad de desintegracin es la tasa de variacin del nmero de ncleos radiactivos por

unidad de tiempo:

Dada la ley de desintegracin radiactiva que sigueN(t) (ver Periodo de demidesintegracin), es

evidente que:

,


24/58

donde:

es laactividadradiactivaenel instante .

es laactividadradiactiva inicial (cuando ).

es labasede los logaritmosneperianos.

esel tiempo transcurrido.

es laconstantededesintegracinradiactivapropiadecadaradioistopo.

"

aactividad tambinpuedeexpresarseen trminosdel nmerodencleosapartirdesu

propiadefinicin. Enefecto:

"eyde laradiosensibilidad

"

a leyde laradiosensibilidad(tambinconocidacomo leyde Bergoniy#

ribondeau, postulada

en1906)diceque los tejidosyrganosmssensiblesa lasradiacionesson losmenos

diferenciadosy losqueexhibenaltaactividadreproductiva.

Comoejemplo, tenemos:

1.#

ejidosaltamenteradiosensibles: epitelio intestinal, rganosreproductivos(ovarios,

testculos), mdulasea, glndula tiroides.

2.#

ejidosmedianamenteradiosensibles:tejidoconectivo.

$.

#

ejidospocoradiosensibles: neuronas, hueso.

Riesgospara lasalud

El riesgopara lasaludnoslodependede la intensidadde laradiacinyde laduracinde la

exposicin, sino tambindel tipodetejidoafectadoydesucapacidaddeabsorcin. Por

ejemplo, losrganosreproductoresson20vecesmssensiblesque lapiel.

V%

ase tambi%

n: & ontaminacinradiactiva

Dosisaceptablede irradiacin

Hastaciertopunto, lasradiacionesnaturales(emitidasporelmedioambiente)son inofensivas.

El promediode tasadedosisequivalentemedidaanivel del maresde0,00012mSv/h(0,012

mrem/h).

'

adosisefectiva(sumade lasdosisrecibidadesdeel exteriordel cuerpoydesdesu interior)

queseconsideraqueempiezaaproducirefectosenel organismode formadetectableesde

100mSv(10rem)enunperiodode1ao.1

'osmtodosdereduccinde ladosisson: 1)reduccindel tiempodeexposicin, 2)aumento

del blindajey()aumentode ladistanciaa la fuenteradiante.


25/58

A modo de ejemplo, se muestran las tasas de dosis en la actualidad utilizadas en una central

nuclear para establecer los lmites de permanencia en cada zona, el personal que puede

acceder a ellas y su sealizacin:

Zona Dosis

Zona)

ris o azul de 0,0025 a 0,0075 mSv/h

Zona verde de 0,0075 a 0,025 mSv/h

Zona amarilla de 0,025 a 1 mSv/h

Zona naranja de 1 a 100 mSv/h

Zona roja0

100 mSv/h

Dosis efectiva permitida

La dosis efectiva es la suma ponderada de dosis equivalentes en los tejidos y rganos del

cuerpo procedentes de irradiaciones internas y externas. En la Unin Europea, la Directiva

96/29/EURATOM limita la dosis efectiva para trabajadores expuestos a 100 mSv durante un

perodo de cinco aos consecutivos, con una dosis efectiva mxima de 50 mSv en cualquier

ao, y existen otros lmites concretos de dosis equivalentes en determinadas zonas del cuerpo,

como el cristalino, la piel o las extremidades, adems de lmites concretos para mujeres

embarazadas o lactantes. Para la poblacin general, el lmite de dosis efectiva es de 1 mSv por

ao, aunque en circunstancias especiales puede permitirse un valor de dosis efectiva ms

elevado en un nico ao, siempre que no se sobrepasen 5 mSv en cinco aos consecutivos.2

En el caso de intervenciones (emergencias radiolgicas), sin embargo, estos lmites no son

aplicables. En su lugar se recomienda que, cuando puedan planificarse las acciones, se utilicen

niveles de referencia. En estos casos, las actuaciones comienzan cuando la dosis al pblico

puede superar los 10 mSv en dos das (permanencia en edificios).

Ejemplos de istopos radiactivos naturales

Uranio 235U y 238U

Torio 234Th y 232Th


26/58

Radio 226Ra y 228Ra

Carbono 14C

Tritio 3H

Radn 222Rn

Potasio40

K Polonio 210Po

Ejemplos de istopos radiactivos artificiales

Plutonio 239Pu y 241Pu

Curio 242Cm y 244Cm

Americio 241Am

Cesio 134Cs, 135Cs y 137Cs

Yodo 129I, 131I y 133I

Antimonio 125Sb

Rutenio 106Ru

Estroncio 90Sr

Criptn 85Kr y 89Kr

Selenio 75Se

Cobalto 60Co


27/58

Rayos X

Radiografa tomadapor1

ilhelmRntgenen1896.

2adenominacinrayos Xdesignaaunaradiacinelectromagntica, invisible, capazde

atravesarcuerposopacosyde imprimir laspelculas fotogrficas.2

a longituddeondaest

entre10a0,1nanmetros, correspondiendoa frecuenciasenel rangode3

0a3

.000 PHz(de

50a5.000veces la frecuenciade la luzvisible).

4efinicin

2

osrayos X sonunaradiacinelectromagnticade lamismanaturalezaque lasondasde

radio, lasondasdemicroondas, losrayos infrarrojos, la luzvisible, losrayosultravioletay

losrayosgamma.2

adiferencia fundamental con losrayosgammaessuorigen: losrayos

gammasonradiacionesdeorigennuclearqueseproducenpor ladesexcitacinde

unnuclendeunnivel excitadoaotrodemenorenergayen ladesintegracinde istopos

radiactivos, mientrasque losrayos Xsurgende fenmenosextranucleares, anivel de larbita

electrnica, fundamentalmenteproducidospordesaceleracindeelectrones.2

aenergade los

rayos X engeneral seencuentraentre laradiacinultravioletay losrayosgammaproducidos

naturalmente.2

osrayos X sonunaradiacin ionizanteporqueal interactuarcon lamateria

produce la ionizacinde lostomosde lamisma, esdecir, originapartculasconcarga(iones).


28/58

Descubrimiento

La historia de los rayos X comienza con los experimentos del cientfico britnico William

Crookes, que investig en el siglo XIX los efectos de ciertos gases al aplicarles descargas de

energa. Estos experimentos se desarrollaban en un tubo vaco, y electrodos para generar

corrientes de alto voltaje. l lo llam tubo de Crookes. Pues bien, este tubo, al estar cerca de

placas fotogrficas, generaba en las mismas algunas imgenes borrosas. Pese al

descubrimiento, Crookes no continu investigando este efecto.

Es as como Nikola Tesla, en 1887, comenz a estudiar este efecto creado por medio de los

tubos de Crookes. Una de las consecuencias de su investigacin fue advertir a la comunidad

cientfica el peligro para los organismos biolgicos que supone la exposicin a estas

radiaciones.

Pero hasta el 8 de noviembre de 1895 no se descubrieron los rayos X; el fsico Wilhelm Conrad

Rntgen, realiz experimentos con los tubos de Hittorff-Crookes (o simplemente tubo deCrookes) y la bobina de Ruhmkorff. Analizaba los rayos catdicos para evitar

la fluorescencia violeta que producan los rayos catdicos en las paredes de un vidrio del tubo.

Para ello, crea un ambiente de oscuridad, y cubre el tubo con una funda de cartn negro. Al

conectar su equipo por ltima vez, llegada la noche, se sorprendi al ver un dbil resplandor

amarillo-verdoso a lo lejos: sobre un banco prximo haba un pequeo cartn con una solucin

de cristales de platino-cianuro de bario, en el que observ un oscurecimiento al apagar el tubo.

Al encender de nuevo el tubo, el resplandor se produca nuevamente. Retir ms lejos la

solucin de cristales y comprob que la fluorescencia se segua produciendo, as repiti el

experimento y determin que los rayos creaban unaradiacin muy penetrante, pero invisible.Observ que los rayos atravesaban grandes capas de papel e incluso metales

menos densos que el plomo.

En las siete semanas siguientes, estudi con gran rigor las caractersticas propiedades de

estos nuevos y desconocidos rayos. Pens en fotografar este fenmeno y entonces fue

cuando hizo un nuevo descubrimiento: las placas fotogrficas que tena en su caja estaban

veladas. Intuy la accin de estos rayos sobre la emulsin fotogrfica y se dedic a

comprobarlo. Coloc una caja de madera con unas pesas sobre una placa fotogrfica y el

resultado fue sorprendente. El rayo atravesaba la madera e impresionaba la imagen de las

pesas en la fotografa. Hizo varios experimentos con objetos como una brjula y el can de

una escopeta. Para comprobar la distancia y el alcance de los rayos, pas al cuarto de al lado,

cerr la puerta y coloc una placa fotogrfica. Obtuvo la imagen de la moldura, el gozne de la

puerta e incluso los trazos de la pintura que la cubra.

Un ao despus ninguna de sus investigaciones ha sido considerada como casual.El 22 de

diciembre, un da memorable, se decide a practicar la primera prueba con humanos. Puesto

que no poda manejar al mismo tiempo su carrete, la placa fotogrfica de cristal y exponer su


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propia mano a los rayos, le pidi a su esposa que colocase la mano sobre la placa durante

quince minutos. Al revelar la placa de cristal, apareci una imagen histrica en la ciencia. Los

huesos de la mano de Berta, con el anillo flotando sobre estos: la primera imagen radiogrfica

del cuerpo humano. As nace una rama de la Medicina: la Radiologa.

El descubridor de estos tipos de rayos tuvo tambin la idea del nombre. Los llam "rayosincgnita", o lo que es lo mismo: "rayos X" porque no saba que eran, ni cmo eran

provocados. Rayos desconocidos, un nombre que les da un sentido histrico. De ah que

muchos aos despus, pese a los descubrimientos sobre la naturaleza del fenmeno, se

decidi que conservaran ese nombre.

La noticia del descubrimiento de los rayos "X" se divulg con mucha rapidez en el mundo.

Rntgen fue objeto de mltiples reconocimientos, el emperadorGuillermo II de Alemania le

concedi la Orden de la Corona, fue honrado con la medalla Rumford de la Real Sociedad de

Londres en 1896, con la medalla Barnard de la Universidad de Columbia y con el premio Nobel

de Fsica en 1901.

El descubrimiento de los rayos "X" fue el producto de la investigacin, experimentacin y no por

accidente como algunos autores afirman; W.C. Rntgen, hombre de ciencia, agudo observador,

investigaba los detalles ms mnimos, examinaba las consecuencias de un acto quizs casual,

y por eso tuvo xito donde los dems fracasaron. Este genio no quiso patentar su

descubrimiento cuando Thomas Alva Edison se lo propuso, manifestando que lo legaba para

beneficio de la humanidad.

Produccin de rayos X

Los rayos X son productos de la desaceleracin rpida de electrones muy energticos (del

orden 1000eV) al chocar con un blanco metlico. Segn la mecnica clsica, una carga

acelerada emite radiacin electromagntica, de este modo, el choque produce un espectro

continuo de rayos X (a partir de cierta longitud de onda mnima). Sin embargo

experimentalmente, adems de este espectro continuo, se encuentran lneas caractersticas

para cada material. Estos espectros continuo y caracterstico se estudiarn ms en detalle

a continuacin.

La produccin de rayos X se da en un tubo de rayos X que puede variar dependiendo de la

fuente de electrones y puede ser de dos clases: tubos con filamento o tubos con gas.

El tubo con filamento es un tubo de vidrio al vaco en el cual se encuentran dos electrodos en

sus extremos. El ctodo es un filamento caliente de tungsteno y el nodo es un bloque de

cobre en el cual esta inmerso el blanco. El nodo es refrigerado continuamente mediante la

circulacin de agua, pues la energa de los electrones al ser golpeados con el blanco, es

transformada en energa trmica en un gran porcentaje. Los electrones generados en el ctodo

son enfocados hacia un punto en el blanco (que por lo general posee una inclinacin de 45) y


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productode lacolisin losrayos X songenerados.5inalmenteel tuboderayos X poseeuna

ventana lacual es transparenteaeste tipoderadiacinelaboradaenberilio, aluminioomica.

Esquemadeun tuboderayoscatdicosyrayos X

El tubocongasseencuentraaunapresindeaproximadamente0.01mmHgyescontrolada

medianteunavlvula; poseeunctododealuminiocncavo, el cual permiteenfocarlos

electronesyunnodo. 6 aspartculas ionizadasdenitrgenoyoxgeno, presentesenel tubo,

sonatradashaciael ctodoynodo.6

os ionespositivossonatradoshaciael ctodoe

inyectanelectronesaeste. Posteriormente loselectronessonaceleradoshaciael nodo(que

contieneal blanco)aaltasenergaspara luegoproducirrayos X. Elmecanismoderefrigeracin

y laventanason losmismosqueseencuentranenel tubocon filamento.

6

ossistemasdedeteccinmsusualesson laspelculas fotogrficasy losdispositivosde

ionizacin.

6 aemulsinde laspelculas fotogrficasvaradependiendode la longituddeondaa lacual sequieraexponer.

6asensibilidadde lapelculaesdeterminadaporel coeficientedeabsorcin

msicoyesrestringidaaunrangode lneasespectrales.6

adesventajaquepresentanestas

pelculases, porsunaturalezagranizada, la imposibilidaddeunanlisisdetalladopuesno

permiteunaresolucingrande.

6

osdispositivosde ionizacinmiden lacantidadde ionizacindeungasproductode la

interaccinconrayos X. Enunacmarade ionizacin, los ionesnegativossonatradoshaciael

nodoy los ionespositivoshaciael ctodo, generandocorrienteenuncircuitoexterno.6

a

relacinentre lacantidaddecorrienteproduciday la intensidadde laradiacinson

proporcionales, as quesepuederealizarunaestimacinde lacantidadde fotonesderayos X

porunidadde tiempo.6

oscontadoresqueutilizanesteprincipiosonelcontador7

eiger, el

contadorProporcional yel contadordedestellos.6

adiferenciaentreelloses laamplificacinde

laseal y lasensibilidaddel detector.

Espectros

Espectrocontinuo


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El tubo de rayos X est constituido por dos electrodos (ctodo y nodo), una fuente de

electrones (ctodo caliente) y un blanco. Los electrones se aceleran mediante una diferencia

de potencial entre el ctodo y el nodo. La radiacin es producida justo en la zona de impacto

de los electrones y se emite en todas direcciones.

La energa adquirida por los electrones va a estar determinada por el voltaje aplicado entre losdos electrodos. Como la velocidad del electrn puede alcanzar velocidades de hasta(1 /

3)cdebemos considerar efectos relativistas, de tal manera que,

Los diferentes electrones no chocan con el blanco de igual manera, as que este puede ceder

su energa en una o en varias colisiones, produciendo un espectro continuo.

La energa del fotn emitido, por conservacin de la energa y tomando los postulados

de Planck es

h = K K'

donde K y K es la energa del electrn antes y despus de la colisin respectivamente.

El punto de corte con el eje x de la grfica de espectro continuo, es la longitud mnima que

alcanza un fotn al ser acelerado a un voltaje determinado. Esto se puede explicar desde el

punto de vista de que los electrones chocan y entregan toda su energa. La longitud de onda

mnima esta dada por = hc/eV,la energ 8 a total emitida por segundo, es proporcional al rea

bajo la curva del espectro continuo, del nmero atmico (Z) del blanco y el nmero de

electrones por segundo (i). As8 la intensidad esta dada por

I=AiZVm

donde A es la constante de proporcionalidad y m una constante alrededor de 2.

Espectro caracterstico

Cuando los electrones que son acelerados en el tubo de rayos X poseen cierta energa crtica,

pueden pasar cerca de una subcapa interna de los tomos que componen el blanco.Debido a

la energa que recibe el electrn, este puede escapar del tomo, dejando al tomo en un

estado supremamente excitado. Eventualmente, el tomo regresar a su estado de equilibrio

emitiendo un conjunto de fotones de alta frecuencia, que corresponden al espectro de lneas de

rayos X. ste indiscutiblemente va a depender de la composicin del material en el cual incide

el haz de rayos X, para el molibdeno, la grfica del espectro continuo muestra dos picos

correspondientes a la serie K del espectro de lneas, estas estn superpuestas con el espectro

continuo.


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La intensidad de cualquier lnea depende de la diferencia del voltaje aplicado (V) y el voltaje

necesario para la excitacin (V) a la correspondiente lnea, y est dada por

I= Bi(V V')N

donde n y B son constantes, e ies el nmero de electrones por unidad de tiempo.

Para la difraccin de rayos X, la serie K del material es la que usualmente se utiliza. Debido a

que los experimentos usando esta tcnica requieren luz monocromtica, los electrones que son

acelerados en el tubo de rayos X deben poseer energas por encima de 30 keV. Esto permite

que el ancho de la lnea K utilizada sea muy angosto (del orden de 0.001 ). La relacin entre

la longitud de cualquier lnea en particular y el nmero atmico del tomo esta dada por la Ley

de Moseley.

Interaccin de los rayos X con la materia

Cuando los rayos X interactan con la materia, estos pueden ser en parte absorbidos y en

parte transmitidos. Esta caracterstica es aprovechada en medicina al realizar radiografas.

La absorcin de rayos X va a depender de la distancia que estos atraviesan y de su intensidad.

Esta dada por

Ix = Ioe( / )x

/ , es caracter9stico del material e independiente del estado f

9sico. el coeficiente lineal de

absorcin y la densidad del material.

Si un material esta compuesto de diferentes elementos, el coeficiente de absorcin msico /

es aditivo, de tal manera que

donde w significa la fraccin del elemento constituyente.

Riesgos a la salud

La manera en la que la radiacin afecta a la salud depende del tamao de la dosis de esta. La

exposicin a las dosis bajas de rayos X a las que el ser humano se expone diariamente no son

perjudiciales. En cambio, s9se sabe que la exposicin a cantidades masivas puede producir

daos graves. Por lo tanto, es aconsejable no exponerse a ms radiacin ionizante que la

necesaria.

La exposicin a cantidades altas de rayos X puede producir efectos tales como quemaduras en

la piel, ca9da del cabello, defectos de nacimiento, cncer, retraso mental y la muerte. La dosis

determina si un efecto se manifiesta y con qu severidad. La manifestacin de efectos como

quemaduras de la piel, ca9da del cabello,esterilidad, nuseas y cataratas, requiere que se


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exponga a una dosis mnima (la dosis umbral). Si se aumenta la dosis por encima de la dosis

umbral el efecto es ms grave. En grupos de personas expuestas a dosis bajas de radiacin se

ha observado un aumento de la presin psicolgica. Tambin se ha documentado alteracin de

las facultades mentales (sndrome del sistema nervioso central) en personas expuestas a miles

de rads de radiacin ionizante.

Aplicaciones

Mdicas

Desde que Rntgen descubri que los rayos X permiten captar estructuras seas, se ha

desarrollado la tecnologa necesaria para su uso en medicina. Laradiolo@

a es la especialidad

mdica que emplea la radiografa como ayuda de diagnstico, en la prctica, el uso ms

extendido de los rayos X.

Los rayos X son especialmente tiles en la deteccin de enfermedades del esqueleto, aunque

tambin se utilizan para diagnosticar enfermedades de los tejidosblandos, como

la neumona, cncer de pulmn, edema pulmonar, abscesos.

En otros casos, el uso de rayos X tiene ms limitaciones, como por ejemplo en la observacin

del cerebro o los msculos. Las alternativas en estos casos incluyen la tomografa axial

computarizada, la resonancia magntica o los ultrasonidos.

Los rayos X tambin se usan en procedimientos en tiempo real, tales como la angiografa, o

en estudios de contraste.

Otras

Los rayos X pueden ser utilizados para explorar la estructura de la materia cristalina mediante

experimentos de difraccin de rayos X por ser su longitud de ondasimilar a la distancia entre

los tomos de la red cristalina. La difraccin de rayos X es una de las herramientas ms tiles

en el campo de la cristalografa.

Tambin puede utilizarse para determinar defectos en componentes tcnicos, como

tuberas, turbinas, motores, paredes, vigas, y en general casi cualquier elemento estructural.

Aprovechando la caracterstica de absorcin/transmisin de los Rayos X, si aplicamos una

fuente de Rayos X a uno de estos elementos, y este es completamente perfecto, el patrn de

absorcin/transmisin, ser el mismo a lo largo de todo el componente, pero si tenemos

defectos, tales como poros, prdidas de espesor, fisuras (no suelen ser fcilmente

detectables), inclusiones de material tendremos un patrn desigual.

Esta posibilidad permite tratar con todo tipo de materiales, incluso con compuestos,

remitindonos a las frmulas que tratan el coeficiente de absorcin msico. La nica limitacin

reside en la densidad del material a examinar. Para materiales ms densos que el plomo no

vamos a tener transmisin.


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ExperimentodeRutherford

El experimentodeRutherfordmejorel modeloatmicodeA

homson.


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ArribaResultadosesperados:B

aspartculasalfapasandoa travsdel modelodel puddingcon

pasassinversealteradas

Abajo:Resultadosobservados:C

napequeapartede laspartculaserandesviadas,

demostrando laexistenciadeunminsculovolumendecargapositiva

El experimentodeDutherford, tambin llamadoexperimentode la lminadeoro, fue

realizadoporHans E eigery ErnestF

arsdenen1909, ypublicadoen1911,1bajo ladireccin

de Ernest Rutherforden losG

aboratoriosdeH

sicade laI

niversidaddeF

anchester.G

osresultadosobtenidosyel posterioranlisis tuvieroncomoconsecuencia larectificacin

del modeloatmicodeP

homson(modeloatmicodelpuddingconpasas)y lapropuestadeun

modelonuclearparael tomo.

El experimentoconsistienmandarunhazdepartculasalfasobreuna fina lminadeoroy

observarcmodicha lminaafectabaa la trayectoriadedichosrayos.

Qaspartculasalfaseobtenande ladesintegracindeunasustanciaradiactiva, elpolonio. Para

obtenerun finohazsecolocel polonioenunacajadeplomo, el plomodetiene todas las

partculas, menos lasquesalenporunpequeoorificiopracticadoen lacaja. Perpendiculara

la trayectoriadel hazse interpona la lminademetal. Y, para ladeteccinde trayectoriade las

partculas, seempleunapantallaconsulfurodezincqueproducepequeosdestelloscada

vezqueunapartculaalfachocaconl.

Segnel modelodeR

homson, laspartculasalfaatravesaran la lminametlicasindesviarse

demasiadodesu trayectoria:


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La carga positiva y los electrones del tomo se encontraban dispersos de forma

homognea en todo el volumen del tomo. Como las partculas alfa poseen una gran masa

(8.000 veces mayor que la del electrn) y gran velocidad (unos 20.000 km/s), la fuerzas

elctricas seran muy dbiles e insuficientes para conseguir desviar las partculas alfa.

Adems, para atravesar la lmina del metal, estas partculas se encontraran con muchostomos, que iran compensando las desviaciones hacia diferentes direcciones.

Pero se observ que un pequeo porcentaje de partculas se desviaban hacia la fuente de

polonio, aproximadamente una de cada 8.000 partcula al utilizar una finsima lmina de oro

con unos 200 tomos de espesor. En palabras de Rutherford ese resultado era "tan

sorprendente como si le disparases balas de can a una hoja de papel y rebotasen hacia ti".

Rutherford concluy que el hecho de que la mayora de las partculas atravesaran la hoja

metlica, indica que gran parte deltomo est vaco, que la desviacin de las partculas alfa

indica que el deflector y las partculas poseen carga positiva, pues la desviacin siempre es

dispersa. Y el rebote de las partculas alfa indica un encuentro directo con una zona

fuertemente positiva del tomo y a la vez muy densa.

El modelo atmico de Rutherford mantena el planteamiento de Thomson, de que los tomos

poseen electrones, pero su explicacin sostena que todo tomo estaba formado por

un ncleo y una corteza. El ncleo deba tener carga positiva, un radio muy pequeo y en l se

concentraba casi toda la masa del tomo. La corteza estara formada por una nube

deelectrones que orbitan alrededor del ncleo.

Segn Rutherford, las rbitas de los electrones no estaban muy bien definidas y formaban una

estructura compleja alrededor del ncleo, dndole un tamao y forma indefinida. Tambincalcul que el radio del tomo, segn los resultados del experimento, era diez mil veces mayor

que el ncleo mismo, lo que implicaba un gran espacio vaco en el tomo.


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SodeloatmicodeRutherford

SodelodeuntomodeRutherford.

El modeloatmicodeTutherfordesunmodeloatmicoo teorasobre laestructura interna

del tomopropuestoporel qumicoy fsicobritnico-neozelands Ernest Rutherfordpara

explicar losresultadosdesu"experimentode la lminadeoro", realizadoen1911.

El modelodeRutherford fueel primermodeloatmicoque incorporel hechodequeel tomo

estaba formadopordospartes:U

acorteza, queestconstituidaportodos loselectronesque

hayenel tomo, girandoagrandistanciaalrededordel ncleo, yel ncleo:(esmuypequeo;

enl seencuentra toda lacargaelctricapositivaycasi toda lamasadel tomo).Estemodelo

suponaqueel tomo, estaba formadoportrespartculas: protonesyneutrones, estosse


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encuentranenel ncleo; yelectrones(esten lacorteza). Aunquehoysesabeque los

protonesy losneutronessonpartculascompuestasyque las interaccionesentreellos

requierenpartculas transmisorasde las fuerzasnucleares.

Introduccin

Antesde lapropuestadeRutherford, los fsicosaceptabanque lascargaselctricasenel

tomo tenanunadistribucinmsomenosuniforme. Rutherford tratdevercmoera la

dispersinde laspartculasalfaporpartede lostomosdeuna lminadeoromuydelgada.

Vosngulosresultantesde ladesviacinde laspartculassupuestamenteaportaran

informacinsobrecmoera ladistribucindecargaen lostomos. Enconcreto, eradeesperar

quesi lascargasestabandistribuidasacordementealmodeloatmicode W homson lamayora

de laspartculasatravesaran ladelgada lminasufriendoslo ligersimasdeflaccionesensu

trayectoriaaproximadamenterecta. Aunqueestoeraciertopara lamayoradepartculasalfa,

unnmero importantedeestassufrandeflexionesdecercade180, esdecir, prcticamente

salanrebotadasendireccinopuestaa la incidente.

Rutherfordapreciqueesta fraccindepartculasrebotadasendireccinopuestapodaser

explicadasi seasumaqueexistan fuertesconcentracionesdecargaspositivasenel tomo.

Vamecnicanewtonianaenconjuncincon la leydeCoulombpredicequeel ngulode

deflexindeunapartculaalfarelativamente ligera, porpartedeuntomodeoromspesado

dependedel parmetrode impactoodistanciaa laque lapartculaalfapasabadel ncleo:1

(1)

Xonde:

, siendo laconstantedielctricadel vacoy , es lacarga

elctricadel centrodispersor.

, es laenergacintica inicial de lapartculaalfa incidente.

esel parmetrode impacto.

XadoqueRutherfordobservuna fraccinapreciabledepartculas"rebotadas"

para lascualesel ngulodedeflexinescercanoa , de larelacin

inversaa(1)quees:

(2)

Sededucequeel parmetrode impactodebeserbastantemenorqueelradio

atmico.X

ehechoel parmetrode impactonecesarioparaobteneruna

fraccinapreciabledepartculas"rebotadas"sirviparahacerunaestimacin


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del tamao del ncleo atmico, que resulta ser unas cien mil veces ms

pequeo que el dimetro atmico.

Importancia del modelo y limitaciones

La importancia del modelo de Rutherford residi en proponer por primera vez la

existencia de un ncleo en el tomo. Trmino que, paradjicamente, no

aparece en sus escritos. Lo que Rutherford consider esencial, para explicar

los resultados experimentales, fue "una concentracin de carga" en el centro

del tomo, ya que sin ella, no poda explicarse que algunas partculas fueran

rebotadas en direccin casi opuesta a la incidente. Este fue un paso crucial en

la comprensin de la materia, ya implicaba la existencia de un ncleo

atmico donde se concentraba toda la carga positiva y ms del 99,9% de

la masa. Las estimaciones del ncleo revelaban que el tomo en su mayor

parte estaba vaco.

Rutherford propuso que los electrones orbitaran en ese espacio vaco

alrededor de un minsculo ncleo atmico, situado en el centro del tomo.

Adems se abran varios problemas nuevos que llevaran al descubrimiento de

nuevos hechos y teoras al tratar de explicarlos:

Por un lado se plante el problema de cmo un conjunto de cargas

positivas podan mantenerse unidas en un volumen tan pequeo, hecho

que llev posteriormente a la postulacin y descubrimiento de la fuerza

nuclear fuerte, que es una de las cuatro interacciones fundamentales.

Por otro lado exista otra dificultad proveniente de

la electrodinmica clsica que predice que una partcula cargada y

acelerada, como sera el caso de los electrones orbitando alrededor del

ncleo, producira radiacin electromagntica, perdiendo energa cayendo

sobre el ncleo. Las leyes de Newton, junto con las ecuaciones de

Maxwell del electromagnetismo aplicadas al tomo de Rutherford llevan a

que en un tiempo del orden de 10 10s, toda la energa del tomo se habra

radiado, con la consiguiente cada de los electrones sobre el ncleo.2 Se

trata, por tanto de un modelo fsicamente inestable, desde el punto de vista

de la fsica clsica.


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tomo

Paraelpersonajedecmics, vY

asetomo (cmic).

Representacindeuntomodehelio.

Enqumicay fsica, tomo(del latnatomum, ystedel griego, sinpartes; tambin, se

derivade"a"no, y"tomo"divisible; nodivisible)1es launidadmspequeadeunelemento

qumicoquemantienesu identidadosuspropiedades, yquenoesposibledividirmediante

procesosqumicos

El ncleodel tomoessupartecentral.

ienecargapositiva, yenl seconcentracasi toda la

masadel mismo. Sinembargo, ocupauna fraccinmuypequeadel volumendel tomo: su

radioesunasdiezmil vecesmspequeo. El ncleoest formadoporprotonesyneutrones.

El ncleoatmico

Artculoprincipal: Ncleoatmico

El ncleodel tomoseencuentra formadopornucleones, loscualespuedenserdedosclases:

Protones: unapartculaconcargaelctricapositiva igual aunacargaelemental, yuna

masade1,67262 1027

a

g.

b

eutrones: partculascarentesdecargaelctrica, yconunamasaunpocomayorque la

del protn(1,67493 1027a

g).

El ncleomssencilloesel delhidrgeno, formadonicamenteporunprotn. El ncleodel

siguienteelementoen la tablaperidica, el helio, seencuentra formadopordosprotonesydos

neutrones.c

acantidaddeprotonescontenidasenel ncleodel tomoseconocecomonmero

atmico, el cual serepresentapor la letrad

yseescribeen laparte inferior izquierda


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del smbolo qumico. Es el que distingue a un elemento qumico de otro. Segn lo descrito

anteriormente, el nmero atmico del hidrgeno es 1 (1H), y el del helio, 2 (2He).

La cantidad total de nucleones que contiene un tomo se conoce comonmero msico,

representado por la letra A y escrito en la parte superior izquierda del smbolo qumico. Para los

ejemplos dados anteriormente, el nmero msico del hidrgeno es 1 (1

H), y el del helio, 4(4He).

Existen tambin tomos que tienen el mismo nmero atmico, pero diferente nmero msico,

los cuales se conocen como istopos. Por ejemplo, existen tres istopos naturales del

hidrgeno, el protio (1H), el deuterio (2H) y el tritio (3H). Todos poseen las mismas

propiedades qumicas del hidrgeno, y pueden ser diferenciados nicamente por ciertas

propiedades fsicas.

Otros trminos menos utilizados relacionados con la estructura nuclear son los istonos, que

son tomos con el mismo nmero de neutrones. Los isbaros son tomos que tienen el mismo

nmero msico.

Debido a que los protones tienen cargas positivas se deberan repeler entre s, sin embargo, el

ncleo del tomo mantiene su cohesin debido a la existencia de otra fuerza de mayor

magnitud, aunque de menor alcance conocida como la interaccin nuclear fuerte.

Historia de la teora atmica

El concepto de tomo existe desde la Antigua Grecia propuesto por los filsofos

griegos Demcrito, Leucipo y Epicuro, sin embargo, no se gener el concepto por medio de la

experimentacin sino como una necesidad filosfica que explicara la realidad, ya que, como

proponan estos pensadores, la materia no poda dividirse indefinidamente, por lo que deba

existir una unidad o bloque indivisible e indestructible que al combinarse de diferentes formas

creara todos los cuerpos macroscpicos que nos rodean.6 El siguiente avance significativo se

realiz hasta en 1773 el qumico francs Antoine-Laurent de Lavoisier postul su enunciado:"La

materia no se crea ni se destruye, simplemente se transforma."; demostrado ms tarde por los

experimentos del qumico ingls John Dalton quien en 1804, luego de medir la masa de los

reactivos y productos de una reaccin, y concluy que las sustancias estn compuestas de

tomos esfricos idnticos para cada elemento, pero diferentes de un elemento a otro.7

Luego en 1811 Amedeo Avogadro, fsico italiano, postul que a una temperatura, presin yvolumen dados, un gas contiene siempre el mismo nmero de partculas, sean tomos o

molculas, independientemente de la naturaleza del gas, haciendo al mismo tiempo la hiptesis

de que los gases son molculaspoliatmicas con lo que se comenz a distinguir entre tomos y

molculas.8

El qumico ruso Dmtri Ivnovich Mendelyev cre en 1869 una clasificacin de los elementos

qumicos en orden creciente de su masa atmica, remarcando que exista una periodicidad en


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las propiedades qumicas. Este trabajo fue el precursor de la tabla peridica de los elementos

como la conocemos actualmente.9

La visin moderna de su estructura interna tuvo que esperar hasta el experimento de

Rutherford en 1911 y el modelo atmico de Bohr. Posteriores descubrimientos cientficos, como

la teora cuntica, y avances tecnolgicos, como el microscopio electrnico, han permitidoconocer con mayor detalle las propiedades fsicas y qumicas de los tomos.10

Partculas Fundamentales:

Las partculas fundamentales de un tomo son los bloques constituyentes bsicos de cualquiertomo. El tomo, y por tanto toda la materia est formado principalmente por tres partculasfundamentales: electrones, neutrones y protones. El conocimiento de la naturaleza y la formaen que funcionan es fundamental para comprender las interacciones qumicas.

La masa y las cargas de las tres partculas fundamentales se muestran en la siguiente tabla.

Partcula Masa (uma)Carga

(Escala Relativa)

Electrn (e-) 0.00054858 1-

Protn (p+) 1.0073 1+

Neutrn (n) 1.0087 Ninguna

La masa del electrn es muy pequea en comparacin con la masa del protn o del neutrn.La carga del protn es de magnitud igual pero de signo opuesto a la carga del electrn.Procederemos a estudiar estas partculas con mayor detalle.

Para ver el grfico seleccione la opcin "Descargar" del men superior

El Electrn:

El electrn, comnmente representado como e es una partcula subatmica. En un tomo loselectrones rodean el ncleo, compuesto de protones y neutrones. Los electrones tienen lacarga elctrica ms pequea, y su movimiento genera corriente elctrica. Dado que loselectrones de las capas ms externas de un tomo definen las atracciones con otros tomos,estas partculas juegan un papel primordial en la qumica.

Historia y descubrimiento del electrnLa existencia del electrn fue postulada por G. Johnstone Stoney, como una unidad de cargaen el campo de la electroqumica. El electrn fue descubierto por Thomson en 1897 enel Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, mientras estudiabael comportamiento de los rayos catdicos. Influenciado por el trabajo de Maxwell y eldescubrimiento de los rayos X, dedujo que en el tubo de rayos catdicos existan unaspartculas con carga negativa que denomin corpsculos.


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Aunque Stoney haba propuesto la existencia del electrn fue Thomson quin descubri sucaracter de partcula fundamental. Para confirmar la existencia del electrn era necesario medirsus propiedades, en particular su carga elctrica. Este objetivo fue alcanzado por Millikan en elclebre experimento de la gota de aceite realizado en 1909.

George Paget Thomson, hijo de J.J. Thomson, demostr la naturaleza ondulatoria del electrnprobando la dualidad onda-corpsculo postulada por lamecnica cuntica. Este descubrimento

le vali el Premio Nobel de Fsica de 1937.

El spin del electrn se observ por vez primera en el experimento de Stern-Gerlach. Su cargaelctrica puede medirse directamente con un electrmetro, y la corriente generada por sumovimiento con un galvanmetro.

Los electrones y la pre

ctica

Propiedades y comportamiento de los electrones

El electrn tiene una carga elctrica negativa de 1.6 f 10 19 culombios y una masa de9.10 f 10 31 kg (0.51 MeV/c2), que es aproximadamente 1800 veces menor que la masa delprotn. El electrn tiene un spin 1/2, lo que implica que es un fermin, es decir, que se le puedeaplicar la estad

gstica de Fermi-Dirac.

Aunque la mayorga de los electrones se encuentran formando parte de los tomos, los hay que

se desplazan independientemente por la materia o juntos formando un haz de electrones enelvacg o. En algunos superconductores los electrones se mueven en pareja.

Cuando los electrones que no forman parte de la estructura del tomo se desplazan y hay unflujo neto de ellos en una direccin, este flujo se llama corriente elctrica.La electricidad esttica no es un flujo de electrones. Es ms correcto definirla como "cargaesttica", y est causada por un cuerpo cuyos tomos tienen ms o menos electrones de losnecesarios para equilibrar las cargas positivas de los ncleos de sus tomos. Cuando hay unexceso de electrones, se dice que el cuerpo est cargado negativamente. Cuando hay menoselectrones que protones el cuerpo est cargado positivamente.

Si el nmero total de protones y electrones es equivalente, el cuerpo est enun estado elctricamente neutro. Los electrones y los positrones pueden aniquilarsemutuamente produciendo un fotn. De manera inversa, un fotn de alta energ

ga puede

transformarse en un electrn y un positrn.

El electrn es una partgcula elemental, lo que significa que no tiene una subestructura (al

menos los experimentos no la han podido encontrar). Por ello suele representarse como unpunto, es decir, sin extensin espacial.

Sin embargo, en las cercangas de un electron pueden medirse variaciones en su masa y su

carga. Esto es un efecto comn a todas las partgculas elementales: la part

gcula influy

trabajo de qumica general

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