Profesora Beatriz Seplveda.Qumica Nuclear

Observatorio Heliosfrico Solar (SOHO) captur esta imagen en negativo el 4 de noviembre de 2003 de la sper llamarada X28 cerca de un lado del sol. http://www.zippyvideos.com/6057513513649906/atomic_bomb_explosion/

Introduccin

No estamos tan aislados de las radiaciones como creemos. Cada instante, intercambiamos decenas de miles de partculas con nuestro entorno. Slo del espacio, recibimos unos 100 mil neutrones cada hora.

H11N atmico Z= protonesprotones + neutrones N msico = A1.-ESTABILIDAD E INESTABILIDAD NUCLEARNucleo neutrones + protones = positivoCorteza electrones = negativo=N atmico Z= protonesN msico A = protones + neutrones XZA1.1.- El Nucleo

Protones y neutrones = nucleonesProtones y neutrones juntos empaquetados en el ncleopoco espacio libreVolumen del ncleo es proporcional a la masaRadio 10.000 veces menor que el del tomo

1.2.- Energa de unin nuclearE= mc2Energa en julios (kg m2 sg-2)Masa en kgVelocidad de la luz en m/sgAl tratar con las fuerzas nucleares y partculas subatmicas es cuando tenemos que considerar ms seriamente esta relacin En la mayor parte de las reacciones qumicas el cambio de masa es demasiado pequeo para ser considerado La equivalencia entre la masa y la energa fue formulada por Albert Einstein en la clebre ecuacinSe conservan: la masa y su equivalente en energa o la energa ms su equivalente en masa

No se ha encontrado ningn modo de combinar directamente los protones y los neutrones para formar un ncleo. definimos la energa de unin nuclear como la energa que se liberara en la combinacin de los nucleones para formar un ncleo. Sin embargomasa de un tomomasa total de los electrones, los protones y neutronesEsta diferencia representa la energa que mantiene unido al ncleo la energa de unin nuclear la energa de unin nuclear

La fusin nuclear

es la combinacin de dos ncleos ligeros para dar un ncleo ms pesado

de nmero msico intermedio ConversinLa fisin nuclear

es la divisin de un ncleo pesado en dos ncleos ms ligeros

de nmero msico intermedio

pueden formarse, tambin, otras partculas. unindivisinLa masa total de los ncleos implicados disminuye en ambos procesos se libera energa.

1.3.- RadioactividadLa radioactividad es la emisin espontnea, por parte de ncleos inestables, de partculas o de radiacin electromagntica, o de ambas. Los istopos que se descomponen espontneamente de este modo, se denominan istopos radioactivos (o radioistopos).

Naturaldescomposicin de los istopos radioactivos que se encuentran en la naturaleza.Artificialla descomposicin de los istopos radioactivos obtenidos por el hombre.La radioactividad puede ser:Los istopos estables no se descomponen espontneamente

Los tres tipos de emanaciones de los elementos radioactivos naturales se designaron por las tres primeras letras del alfabeto griego: a,b y gEstas emanaciones estn caracterizadas por sus masas relativas, o carencia demasa, y su comportamiento en un campo elctrico

Los rayos a (rayos alfa) tienen carga positiva y una masa relativamente grande en comparacin con la de los rayos b (rayos beta), cargados negativamente. Los rayos g son neutros y no tienen masa. Aunque al principio no se saba que eran, luego se les identific como un tipo altamente penetrante de radiacin electromagntica o una forma de luz ms energtica que la luz visible. explosiones de rayos gamma

Rayos g Los rayos gama estn constituidos por radiacin electromagntica, de la misma naturaleza que la luz ordinaria, pero con una longitud de onda mucho menor. son elctricamente neutros, es y no son desviados por campos elctricos o magnticos tienen un poder de penetracin en la materia que es mucho mayor que las partculas y alfa Los rayos gama fueron descubiertos por Pal Villard. Partcula a Los rayos alfa son partculas con carga positiva. No estn constituidos por radiacin (energa electromagntica) se mueven comparativamente con mucha lentitud, aproximadamente 20 000 km/s y con muy leve poder de penetracin est formada por dos protones y dos neutrones; es decir, es idntica al ncleo del Helio.Partcula b Los rayos beta son un flujo de electrones se mueven con una velocidad muy cercana a la de la luz (300 000 km/s)

son partculas subatmica de mayor poder de penetracin que las partculas alfa.

TIPOS DE RADIACIN ALFA: ncleos de Helio ( = 2 protones + 2 neutrones) BETA: electrones GAMA: luz (ondas electromagnticas)

Rutherford y Frederick Soddy concluyeron en 1902: en el proceso de descomposicin radioactiva un elemento se transforma o se transmuta en otro elemento. Rutherford haba hecho la siguiente observacin: Por amor de Dios, Soddy, no lo llamemos transmutacin; nos cortarn la cabeza por alquimistas

La alquimia en la cultura popular es citada con mayor frecuencia en novelas, pelculas y espectculos resumido al proceso usado para transformar plomo (y otros metales) en oro. Otra de las metas de la alquimia es la bsqueda de la piedra filosofal, con la que lograr la habilidad para transmutar las substancias impuras en su forma ms perfecta, oro en la naturaleza metlica y la vida eterna en la naturaleza animal.

1.4.- Istopos Cuatro quintos de los elementos se encuentran en la naturaleza como mezclas de istopos Un istopo natural que se encuentra en la naturaleza y puede ser estable o radioactivo = istopo artificial

ElementoZNA = N+ZH 10 1 H112H123He213He224Li336Li347Be459B5510B5611C6612C6713C 6814N7714N7815O8816O8917O81018etctera

Un tercio aproximadamente de los elementos poseen istopos naturales radioactivos Todos los istopos de los elementos ms pesados que el Bi son radiactivos Casi todos los istopos naturales radiactivos, de abundancia mesurable, se descomponen muy lentamente y existen desde que se form la Tierra Son excepciones el tritio (hidrgeno-3), muy escaso, y el carbono-l4. Estos dos nclidos se estn formando continuamente al bombardear otros nclidos con rayos csmicos

Propiedades fsicas y qumicas de los istoposLas diferencias son mayores con lo istopos de los elementos ms ligeros y son mximas con los del hidrgeno (A = 1,2,3). Los istopos del mismo elemento tienen, bsicamente, las mismas: propiedades fsicas y qumicas.su separacin es muy difcilLos istopos del mismo elemento experimentan las mismas reacciones qumicas.la velocidad de las reacciones: puede diferir ligeramentela diferencia en la velocidad aumenta al aumentar la diferencia relativa en el nmero msico

2H2O H2 + O22D2O D2 + O2+ lenta Se puede producir agua deuteradaSe pueden separar.

separacin por difusin gaseosa separacin por centrifugacin gaseosa separacin aerodinmica separacin por intercambio qumico separacin por intercambio inico separacin de istopos por lser de vapor atmico separacin de istopos por lser molecular separacin de plasma separacin electromagnticaLos istopos ms pesados deben separarse por mtodos fsicos. Uno de los principales obstculos a superar en la fabricacin de la primera bomba atmica fue el aislamiento de una cantidad lo bastante grande de uranio-235

- Para elementos ms ligeros la relacin neutrn-protn es 1: 1. - Para los ncleos ms pesados, el nmero de la relacin neutrn-protn es 1,5 1.5.- Relacin neutrn-protnestabilidad del ncleorelacin entre neutrones y protones

PARECE queLos neutrones adicionales proporcionan la fuerza nuclear adicional que se necesita para mantener reunidos a un nmero mayor de protones dentro del ncleo.Cuando el nmero atmico llega a ser 83, ni los neutrones adicionales son suficientes para mantener la estabilidad y todos los nclidos de Z > 83 son inestables y radioactivos.

83

PARECE queLos neutrones adicionales proporcionan la fuerza nuclear adicional que se necesita para mantener reunidos a un nmero mayor de protones dentro del ncleo.Cuando el nmero atmico llega a ser 83, ni los neutrones adicionales son suficientes para mantener la estabilidad y todos los nclidos de Z > 83 son inestables y radioactivos.Para cada carga nuclear es necesaria una relacin neutrn-protn, dentro de un margen determinado, para la estabilidad.la radioactividad es la transformacin de ncleos inestables en ncleos con relaciones neutrn-protn ms favorable.

REACCIONES QUMICAS :1.- Los tomos se recombinan por ruptura y formacin de enlaces qumicos.2.- Solo estn implicados los electrones de valencia en esos procesos.3.- Las reacciones van acompaadas de pequeas cantidades de energa.4.- Las velocidades de reaccin se ven afectadas por la temperatura, presin, concentracin y catalizadores.REACCIONES NUCLEARES:1.- Los elementos (o sus istopos) se reconvierten unos en otros.2.- Pueden estar implicados electrones, protones, neutrones y otras partculas elementales3.- Las reacciones van acompaadas de enormes cantidades de energa4.- Las velocidades de reaccin, en general, NO se ven afectadas por la temperatura, presin y catalizadores.

2. REACCIONES NUCLEARES en el estado de energa de los ncleoslos diversos tipos de reacciones nucleares originan cambiosen el nmero atmicoen el nmero msicoN atmico Z= protonesprotones + neutrones N msico = AXZA

4.- la fusin de ncleos ligeros, la cual slo tiene lugar espontneamente en el sol y en las estrellas. Las reacciones nucleares surgen por 1.- la desintegracin espontnea de nclidos radioactivos, naturales o artificiales2.- las reacciones de bombardeo en las que se captura radiacin electromagntica o partculas rpidas, para formar un ncleo inestable que posteriormente se desintegra3.- la fisin de ncleos pesados inestables

AURORAS

Finlandia Estados Unidos Finlandia Australia Finlandia

Estados Unidos Noruega Estados Unidos Estados Unidos

2.1.- Escritura de ecuaciones para las reacciones nucleares Aadimos algunos smbolos para las partculas que aparecen en las reacciones nucleares.electronessin masa y sin cargagemelo del electrn cargado positivamenteNOMBRE SIMBOLO

La inclusin del nmero msico y del nmero atmico o de la carga de las partculas no siempre se hace, pero es til al escribir e igualar las ecuaciones nucleares. Para todos los nclidos implicados en una reaccin nuclear se escriben: el nmero msico y, con frecuencia, el nmero atmico tambin.XZA

Reacciones nucleares de inters histrico Ra22688Se desintegraa42Rn22286+La primera transmutacin natural reconocida de un elemento (Rutherford y Soddy, 1902)

unapartcula a

un tomo de radn-222

un tomo de radio-226

La primera transmutacin artificial de un elemento (Rutherford; 1919) N147a42O178++p11bombardeado con partculas a

origina

un tomo de nitrgeno-14

un tomodeoxgeno-17

unprotn

origina Be94a42C126++n10El descubrimiento del neutrn (Chadwick, 1932)

un tomo de carbono-12

unneutrn

un tomo de berilio-9

bombardeado conpartculas a

origina UBa14156+ 3+n1023592n10Kr9236+

El descubrimiento de la fisin nuclear (Qtto Hahn y Fritz Strassman, 1939)

un tomo de uranio-235

un tomodebario-141

un tomo de kriptn-92

tresneutrones

bombardeado con un neutrn

Una ecuacin nuclear est escrita correctamente cuando se cumplen las dos reglas siguientes:1. Conservacin del nmero msico. productosreactivosprotones + neutronesprotones + neutrones=El nmero total de protones y de neutrones en los productos debe ser igual al nmero total de protones y de neutrones en los reaccionantes.

2. Conservacin de la carga nuclear.El nmero atmico o de la carga total de los productos debe ser igual a la carga total de los reaccionantes.productosreactivoscargacarga=

Se comprueba comparando la suma de los nmeros msicos de los productos con la de los reactivosBe94a42C126++n109 + 4 = 12 + 14 + 2 = 6 + O A Z

Si en una reaccin nuclear se conocen los nmeros atmicos y los nmeros msicos de todos los tomos o partculas

a excepcin de uno de ellos

la partcula desconocida puede identificarse utilizando las reglas dadas.

Rf257104Cf24998C126n10++ 4sumas de los nmeros msicos249 + 12 = 261 = 257 + 4 (1)sumas de los nmeros atmicos98 + 6 = 104 = 104 + 4 (O)La ecuacin de desintegracin radioactiva del puede escribirse:Rf257104He42+EAZ ?

Rf257104He42+EAZ ?Clculo de A257 = 4 + A104 = 2 + ZA = 253Z = 102NoPor tanto :253102EAZRf257104He42+No253102Clculo de Z

Un nclido del elemento 104 (para el que se ha sugerido el nombre de Rutherfordio) con un nmero msico de 257, , se forma por la reaccin nuclear del con el con la emisin de cuatro neutrones. Este nuevo nclido tiene una vida media de unos 5 segundos y se desintegra emitiendo una partcula a. Escribir las ecuaciones para estas reacciones nucleares e identificar el nclido formado cuando se desintegra elLa ecuacin de formacin del esRf257104Cf24998C126n10++ 4EJEMPLO

Completar las siguientes reacciones de transmutacin: a) b) c) d) e) f)

Las nicas reacciones de fisin de importancia prctica son: la fisin del uranio-235 natural inducida por neutrones, o la del plutonio-239 artificial.2.3.- Fisin nuclearEn una fisin nuclear simple, un tomo de un istopo pesado fisionable se divideen dos tomos de masa intermedia y varios neutrones. puede iniciarse por bombardeo con muchos tipos de partculas o por radiacin, y muchos nclidos pesados pueden experimentar fisinFisin de un tomo de uranio por un neutrn

una serie de etapas que se automantiene cuando el nmero de neutrones emitidos es igual o ms grande que el nmero de neutrones absorbidos por los ncleos que se fisionan ms los que se pierden en los alrededores. El uso de la energa nuclear, como fuente de energa, es la produccin de ms de un neutrn por fisin.Reaccion en cadena, 1 un neutron fisiona un atomo de uranio, esto libera tres neutrones y en 3 se producen mas fisiones.

La masa crtica de un material fisionable es la masa ms pequea que permite que una reaccin en cadena se automantenga en una serie de condiciones dadas. La masa crtica depende de diversos factores, como la geometra de la muestra del material fisionable.Primeras bombas atmicas: masas pequeas de plutonio 239 o de uranio 235 puros, inicindose una rpida reaccin en cadena que continuaba hasta que la fuerza de la explosin atmica dispersaba el combustibleEl hongo atmico en Nagasaki, Japn.

La fisin de un tomo de U-235 genera 200 MeV.El Uranio-235 es un istopo del uranio que se diferencia del otro comn istopo del elemento, uranio-238, en su capacidad para provocar reaccin en cadena de fisin que se expande rpidamente -Slo alrededor del 0,72% de todo el uranio natural es uranio-235, el resto es bsicamente uranio-238. -Esta concentracin es insuficiente para mantener por s misma una reaccin en una masa de uranio puro.-El enriquecimiento de uranio, que significa precisamente la separacin del uranio-238, debe realizarse para conseguir concentraciones de uranio-235 utilizables en los reactores nucleares.-Para una explosin se requiere una pureza de aproximadamente el 90%.-El uranio-235 tiene un tiempo de vida media de 700 millones de aos.

2.4.-Fusin nuclearLa fusin nuclear continua slo ha sido observada en el sol y en las estrellas. La conversin del hidrgeno en helio es la principal fuente de energa nuclear.1.- aproximarse 2.- vencer la repulsin electrosttica entre sus cargas positivas

3.- fusionarse

Dentro del sol los materiales estn en estado de plasmaDenso, muy caliente, los ncleos ligeros se mueven lo suficientemente deprisa y un gran nmero de ellos puede colisionar y fusionarse, liberndose grandes cantidades de energa en el procesopareca imposible producir en la Tierra la temperatura necesaria para la fusin termonuclear La temperatura del sol es de 15.000.000 C

la fisin nuclear obtenida por el hombre en forma de la bomba atmicareaccin de fusin en gran escalaEl resultado fue la bomba H, puesta a prueba por vez primera en 1952 en el atoln Bikini en el Ocano Pacfico.

EL ARMA NUCLEAR ES UN INGENIO CUYA EXPLOSIN PROVIENE DE UNA REACCIN NUCLEAR3.1.- Armas nuclearesIncluye:

la energa liberada se produce al escindir el ncleo de un tomo pesado con obtencin de otros dos ms ligerosla energa liberada se produce al fusionarse dos tomos ligeros que dan lugar a otro ms pesadoLOS ELEMENTOS QUMICOS QUE SE UTILIZAN EN CADA CASO SON DISTINTOS-las termo-nucleares o de fusin-las armas atmicas o de fisin3. Aplicaciones de la Energa nuclear

requiere, a su vez, una bomba de fisin a modo de detonadorElementos qumicos que se utilizanLos muy pesados (uranio y plutonio) Dan reacciones de fisinpara la bomba atmicaEl ms ligero (hidrgeno)Da reacciones de fusin para la termonuclearel elemento bsico es el uranio o el plutonio fisionablesen cualquier caso

los istopos que se utilizan para la fisin son el U-235 y el Pu-239 su obtencin exige complicados procesos industriales Tipos especiales de las armas nucleares son la bomba de neutrones y la de cobaltoLa bomba de neutrones es una pequea bomba de fusin termonuclear que emite un flujo de neutrones, los cuales, al atravesar los tejidos de cualquier organismo viviente, provocan su ionizacin descomponiendo las molculas.No importa que ser vivo se exponga a ella: morira en un radio de 3 km2 del punto de impacto de una bomba de 1 KT

Esta terrible arma, puesta a punto en 1980, no causa daos en los edificios que pueden ser utilizados de nuevo finalizado el ataque.

De ah su importancia tctica y estratgica.abgnLos efectos son radicalmente diferentes

3.2. Centrales nuclearesLa opcin nuclearLas centrales nucleares aportan ya alrededor del 17% del total de la electricidad en el mundo.Prcticamente no producen emisiones de dixido de carbono (CO2), dixido de azufre (SO2) ni xido de nitrgeno (NO2). Y el humo blanco Qu es?

obtienen ms del 50% de sus suministros totales de electricidad de la energa nucleoelctricaCinco paises entre ellosFrancia, Suecia y Blgicaproducen en centrales nucleares el 30% o msOtros diez pases, incluidos Espaa, Finlandia, Japn, Suiza y la Repblica de CoreaActualmente hay en el mundo ms de 430 reactores en funcionamiento que producen aproximadamente tanta electricidad como la que proviene de la energa hidroelctrica. naciones en desarrollo, incluidas la Argentina, el Brasil, China, la India, Mxico y Pakistntienen centrales nucleares en servicio

Los diez mayores consumidores de energa nucleoelctricaPasN de unidadesTotal de MW(e)Estados Unidos10999.784Francia5658.493Japn5938.875Alemania2122.657Federacin de Rusia2919.843Canad2215.755Ucrania15 12.679Reino Unido1211.720Suecia1210.002Repblica de Corea10 8.170Total335297.978Consumo mundial432340.347

3.4. Otras aplicaciones de los istopos radiactivosAplicaciones relacionadas con la construccin Medidas de humedad en materiales de construccin (ladrillos, hormign, asfalto, etc.). El fundamento de este tipo de medidas es el mismo explicado en la determinacin de humedad de suelos, es decir la moderacin de la velocidad de los neutrones rpidos por las molculas de agua. A mayor contenido de humedad mayor nmero de neutrones lentos formados, que pueden ser detectados mediante un contador Geiger-Mller modificado con BF3.

2. Medidas de densidad de hormign, capas asflticas, etc. El principio es el mismo de la medida de densidad de suelos, es decir la atenuacin de la intensidad de la radiacin , conociendo el espesor del material interpuesto entre emisor y detector de radiacin.

3. Medidas del espesor de lminas de vidrio, tuberas, capas asflticas, etc. En este caso es preciso conocer la densidad del material, por lo que la atenuacin de la radiacin ( o ) informar sobre el espesor.

4. Radiografas de estructuras de acero embebidas en hormign, para detectar defectos constructivos (ausencia o desplazamiento de barras, etc.)

5. Control de la homogeneidad de mezclas hormign-asfalto. Se marca uno de los componentes con un istopo radiactivo, y se determina su dilucin en funcin del tiempo, realizando medidas de intensidad de radiacin en distintos puntos de la mezcla. De esta manera se puede minimizar el tiempo de mezclado, y por tanto el consumo de energa de agitacin, asegurando la homogeneidad de la mezcla.

6. Sealizaciones en oleoductos enterrados, pararrayos, etc.