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ENERGIA NUCLEAR
ANTECEDENTES HISTORICOS
M.Sc. Mario Mallaupoma Gutiérrez
ANTECEDENTES HISTORICOS
En el S. V antes de Cristo, Leucipo y, sobre todo,
su discípulo Demócrito crearon la escuela
atomística griega
La materia estaba constituida por pequeñas
unidades indivisibles, a las que llamaron átomos.
Con ellos se introdujo en la filosofía la
concepción discontinua de la materia la
cual implicaba necesariamente
la existencia del vacío, del no-ser.
Demócrito de Abdera
Primero en utilizar término ATOMO
Aristóteles, la materia era divisible ad infinitum y sus formas reales eran consecuencia
de la proporción continua en que podían mezclarse los cuatro elementos : tierra, agua, fuego y aire.
Robert Boyle,
En el S. XVII, la química se
desprende del lastre de la piedra
filosofal y empezó su aproximación :
hacia el moderno concepto de
elemento químico, como
"principio, primitivo y simple que
forma parte de los cuerpos compuestos".
Lavoisier,
Demostró que el aire estaba compuesto
por nitrógeno y oxígeno (1774);
Pudo sustituir la lista de los cuatro
elementos de los filósofos griegos por
otra conteniendo una veintena de
elementos verdaderos
Priestley y Cavendish,
Demostraron que el agua estaba
formada por hidrógeno y oxígeno
John Dalton, a principios dei S. XIX,
Las leyes de la combinación química de los elementos,
en las que encajaba perfectamente el concepto de
átomo como la
''parte mínima e indivisible de los elementos que
podía tomar parte en las reacciones químicas".
MENDELEIEV
Ley Periódica de los Elementos.
Regularidades Periódicas de los Elementos
Químicos" (1871)
"cuando se ordenan los elementos químicos
según sus pesos atómicos, se pone de manifiesto
inmediatamente la repetición periódica de sus
propiedades".
Después del descubrimiento de los isótopos, la Tabla admite una versión ampliada
-la Tabla Nucleídica- que permite encajar las dos mil especies atómicas conocidas (nucleidos)
CONOCIMIENTOS ACTUALES SOBRE EL NUCLEO
Observaciones empíricas 1896 – 1942 : Se sentaron las bases de las ciencias nucleares
Los científicos aceptaron que la electricidad como la materia no eran continuas sino que estaban formadas
por unidades discretas de electricidad que Stoney llamó “electrones”.
Thomson realiza experiencias con tubo
de rayos catódicos.
Demuestra existencia de electrones y
llega a determinar sus propiedades
En 1906 Rutherford :
Propone nuevo modelo debido a los
resultados de sus experiencias.
Se le considera como iniciador de la
era nuclear.
Niels Bohr, discípulo de Rutherford,
realizó nuevas investigaciones y
formula un nuevo Modelo
DESCUBRIMIENTO DE LA RADIACTIVIDAD
En 1895 :
Wilhelm Conrad Roentgen
descubre los Rayos X
En 1896
Henry Becquerel
investigando con cuerpos
fosforescentes (sulfato de uranilo
y potasio) para ver si emitían
rayos X, halló una nueva propiedad
de la materia.
Observó que ciertos elementos
tenían la propiedad de emitir radiaciones
semejantes a los rayos X, de forma
espontánea y que no dependía de su
forma física ni química.
Era una radiación penetrante.
Marie Curie la llamó “RADIACTIVIDAD”
La fluorescencia es una propiedad que tienen algunas substancias que consiste en emitir una luz
de color o frecuencia diferente a la que reciben.
Un ejemplo de este material es el que forma la capa blanca de los tubos fluorescentes.
En el interior de estos tubos hay un gas (vapor de mercurio de baja presión).
Los átomos de mercurio, excitados, producen luz ultravioleta, no visible. Pero al chocar los fotones
ultravioletas con el material fluorescente son absorbidos, excitando los átomos del material.
Al desexcitarse emite fotones de colores visibles.
En uno de sus experimentos Röntgen observó que cuando aplicaba tensión al tubo de rayos
catódicos no solo se iluminaba el trocito de papel que estaba enfrente de la ventana hecha en
el cartón, sino también los que estaban por los alrededores, incluso debajo de la mesa.
Como los rayos catódicos no se propagaban por el aire a presión atmosférica, Röntgen sacó
la conclusión de que se estaban produciendo otros rayos que atravesaban no solo el cartón sino
incluso la madera de la mesa. Como desconocía su naturaleza los llamó rayos X y se dedicó a
estudiarlos en profundidad.
RAYOS X
EXPERIMENTO DE HENRY BECQUEREL
Su experimento fue sencillo: expuso a la luz .
del Sol una muestra de sal de uranio colocada
sobre una placa fotográfica [una placa
fotográfica es un material que está recubierto
por una sal (cloruro o bromuro) de plata.
Se dice que una placa se vela cuando,
al incidir sobre ella algún tipo
de radiación, la placa se oxida y se
ennegrece, manifestándose así la incidencia
de esa radiación] envuelta en dos hojas de
papel negro grueso, tan opaco a la luz que
aun después de un día de exposición a la
luz solar no podía velarse.
Radiación emitida por el uranio y
el torio se hace pasar a través de
un campo magnético.
Comportamiento es diferente :
parte se desvía en el mismo sentido
y en la misma proporción que los rayos
catódicos ,
parte se desvía fuertemente en sentido
contrario y
parte resulta indemne.
Rutherford los llamó ALFA, BETA Y GAMMA.
"Fui golpeada por la expresión de su mirada clara y por la ligera apariencia de
abandono de su alta estatura. Su voz, un poco lenta y reflexiva, su simplicidad,
su sonrisa a la vez grave y joven, inspiraban confianza."
Marie y Pierre Curie :
Encontraron fuentes mucho más poderosa
que el uranio original.
Usando pechblenda aislaron Po y Ra,
elementos más inestables que el
U y Th ( más radiactivos).
Procesando 8 toneladas de petchblenda
obtienen 1 g de cloruro de radio puro.
Bombardearon diversos núcleos con
partículas ALFA, de gran energía, se
logra modificar el núcleo del elemento
bombardeado que se transforma en un
núcleo diferente.
"Sus ojos parecían imanes, o mejor dicho, no sólo atraían, sino que además
transmitían una energía especial: Parecían cristales de uranio en vivo".
Descubrimiento de la radiactividad artificial
Esposos Joliot – Curie :
Frederic e Irene Joliot - Curie
Continuan con investigaciones .
Crean nuevos elementos en forma
artificial. Pueden ser estables e inestables.
A partir de un elemento estable se pueden
crear otros inestables.
Bombardearon B, Mg y Al con
partículas alfa.
Descubrieron que partiendo del aluminio,
que tiene 13 protones y 14 neutrones,
terminaron con fósforo-30
(15 protones y 15 neutrones).
Con sus hijos : Pierre y Helene
El primer elemento creado artificialmente fue un elemento radiactivo, el tecnecio,
que llenó uno de los huecos de la tabla periódica de elementos
En 1932 Chadwick
Descubre el neutrón, partícula de
masa aproximada al protón, pero
sin carga eléctrica
En 1934 Enrico Fermi
Bombardea uranio con neutrones rápidos.
Observa la aparición de nuevos núcleos
altamente radiactivos, que consideró
pertenecían a un isótopo del uranio :
uranio X.
Seis años más tarde se identificó como
elemento 93, neptunio.
Enrico Fermi fue un físico y premio Nobel
italiano, conocido por haber llevado a cabo la primera reacción nuclear controlada.
En diciembre de 1942, en la Universidad de Chicago
DESCUBRIMIENTO DE LA FISION NUCLEAR
En 1938 Otto Hahn y Fritz Strassman
Bombardearon uranio con neutrones lentos.
Observaron trazas de Ba con Z mucho
menor que U.
Consultaron resultados con Lise Meitner.
Conclusión : El U se había dividido en
núcleos más pequeños :
Descubrimiento de la Fisión Nuclear .
Al revisar la masa de los productos
resultantes : era menor que que la
masa inicial del uranio.
Lise Meitner y su sobrino Otto Frisch
Sugieren que la masa desaparecida se
hubiese transformado en energía pura.
Aplicando la ecuación de Einstein,
masa perdida en la fisión de un átomo
de U, representaba una liberación
del orden de 200 MeV.
Meitner demostró que un átomo de bario
(Ba) se formaba cuando un haz de neutrones
chocaba contra un núcleo de uranio (U).
Enrico Fermi :
Nuevas investigaciones
Sugiere que en la fisión del U,
tal vez se emiten nuevos neutrones,
que podrían provocar nuevas
fisiones en núcleos próximos.
Reacción en cadena.
Universidad de Chicago ( Dic. 1942)
Descubrimiento de nueva fuente de
energía.
E = m c2
"No tengo talentos especiales, pero sí soy profundamente curioso".
"¡Triste época la nuestra! Es más fácil desintegrar el átomo que los prejuicios.".
"Todos somos muy ignorantes. Lo que ocurre es que no todos ignoramos las mismas cosas".
MODELOS ATOMICOS
Joseph John Thomson
LOS RAYOS CATODICOS SE PROPAGAN ?
El ánodo y el cátodo se hallan
conectados a una fuente de alto
voltaje (más de 10000 volts).
En el tubo de vidrio se encuentra
un gas a baja presión
(aprox. 0,001 mm de Hg).
Pudo observar que los mismos
se desplazaban en línea recta
y producían un destello al llegar
a una pantalla formada por una
sustancia fluorescente
De dónde parten los rayos catódicos ?
El ánodo y el cátodo se hallan
conectados a una fuente de alto
voltaje (más de 10000 volts).
En el tubo de vidrio se
encuentra un gas a baja presión
(aprox. 0,001 mm de Hg).
Interponiendo un objeto metálico opaco,
como se muestra en la figura,
en el camino de los rayos observó que
se formaba una sombra en la pared
opuesta al cátodo.
Ésto indicaba que los rayos partían del
cátodo. Por eso se los llama
RAYOS CATÓDICOS
Los rayos tienen masa ?
El ánodo y el cátodo se hallan
conectados a una fuente de alto
voltaje (más de 10000 volts).
En el tubo de vidrio se encuentra
un gas a baja presión
(aprox. 0,001 mm de Hg).
En el camino de los rayos interpuso
una pequeña rueda. Observó que la
rueda giraba como consecuencia
del paso de los rayos. Por lo tanto
los rayos poseían masa
Qué carga tienen los rayos ?
El ánodo y el cátodo se hallan
conectados a una fuente de alto
voltaje (más de 10000 volts).
En el tubo de vidrio se encuentra
un gas a baja presión
(aprox. 0,001 mm de Hg).
Utilizando un campo eléctrico o
un campo magnético, comprobó
que los rayos se desviaban
alejándose del polo negativo del
campo y se acercaban al polo
positivo.
Este comportamiento indicaba que
los rayos eran partículas negativas
MODELO DE THOMSON
Si se somete un gas a bajas presiones,
y a una diferencia de potencial de más
de 10000 volts desde uno de sus
electrodos parten rayos.
Las propiedades de estos rayos fueron
estudiadas por Thomson, quien llegó a
las siguientes conclusiones sobre los mismos:
se desplazaban en línea recta
Los rayos partían del cátodo
los rayos poseían masa
los rayos eran partículas negativas
Cuando Thomson propuso su modelo atómico se sabía que los átomos eran neutros.
MODELO DE THOMSON
El átomo se encuentra formado por una
esfera de carga positiva en la cual se
encuentran incrustadas las cargas
negativas (electrones) de forma similar
a como se encuentran las pasas de uva
en un pastel.
Además, como el átomo es neutro la
cantidad de cargas positivas es igual
a la cantidad de cargas negativas.
Ernest Rutherford
Para analizar cual era la estructura del átomo, Rutherford diseño un experimento
El experimento consistía en
Bombardear una fina lámina
de oro con rayos alfa.
Para observar el resultado
de dicho bombardeo,
alrededor de la lámina de
oro colocó una pantalla
fluorescente
Estudiando los impactos sobre la pantalla fluorescente observó que:
La mayoría de los rayos alfa atravesaban la lámina sin sufrir desviación;
Algunos se desviaban; y
Muy pocos rebotaban
Lo que sucedió en el experimento fue similar a lo que sucedería si
tratamos de tirar pequeños bollitos de papel a través de una reja.
La mayoría pasará sin desviarse,
Porque la mayor parte de la reja es espacio vacío.
Algunos pasarán desviándose,
porque sólo algunos alcanzan a tocar los barrotes de la reja.
Muy pocos rebotarán,
porque son muy pocos los que chocan de frente contra los
barrotes de la reja.
La mayoría de los rayos alfa atravesaba la lámina
sin desviarse, porque igual que en caso de la reja,
la mayor parte del espacio de un átomo es espacio
vacío
Algunos rayos se desviaban, porque pasan muy
cerca de centros con carga eléctrica del mismo tipo
que los rayos alfa (CARGA POSITIVA).
Muy pocos rebotan, porque chocan frontálmente
contra esos centros de carga positiva
El modelo del átomo de RUTHERFORD se
parecía a un sistema solar en miniatura,
con los protones en el núcleo y los
electrones girando alrededor.
MODELO DE BOHR
Para realizar su modelo atómico
utilizó el átomo de hidrógeno.
Describió el átomo de hidrógeno
con un protón en el núcleo, y
girando a su alrededor un electrón.
En éste modelo los electrones giran
en órbitas circulares alrededor
del núcleo;
ocupando la órbita de menor energía
posible, o sea la órbita más cercana
al núcleo posible.
Cada nivel energético que identifica a cada una de las órbitas, toma valores
desde 1 a 7 (con números enteros), se representa con la letra "n", y
recibe el nombre de Número Cuántico Principal.
De acuerdo al número cuántico principal calculó las distancias a las cuales
se hallaba del núcleo cada una de las órbitas permitidas en el átomo de hidrógeno
Representación de las órbitas
n
distancia
1
0,53 Å
2
2,12 Å
3
4,76 Å
4
8,46 Å
5
13,22 Å
6
19,05 Å
7
25,93 Å
MODIFICACION AL MODELO ATOMICO DE BOHR
El modelo de Bohr funcionaba muy
bien para el átomo de hidrógeno.
En los espectros realizados para otros átomos
se observaba que electrones de un mismo
nivel energético tenían distinta energía.
Algo andaba mal.
La conclusión fue que dentro de un
mismo nivel energético existían SUBNIVELES
En 1916, Arnold Sommerfeld modifica el modelo atómico de Bohr, en el cual los electrones sólo giraban
en órbitas circulares, al decir que también podían girar en ORBITAS ELIPTICAS
Todavía Chadwick no había descubierto los NEUTRONES, por eso en el núcleo sólo se representan,
en rojo, los PROTONES.
Esto dió lugar a un nuevo número cuántico: "El Número Cuántico Azimutal", que determina la forma
de los orbitales, se lo representa con la letra "l" y toma valores que van desde 0 hasta n-1.
Valor
Subnivel
Significado
0
s
sharp
1
p
principal
2
d
diffuse
3
f
fundamental
MODELO ATOMICO ACTUAL
En 1923 Louis De Broglie, fue quien sugirió que los electrones tenían tanto propiedades de ondas,
como propiedades de partículas, esta propuesta constituyó la base de la "MECÁNICA CUÁNTICA"
A consecuencia de este comportamiento dual de los electrones (como onda y como partícula),
surgió el principio enunciado por WERNER HEISENBERG, conocido también como
"PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE", que dice:
"es imposible determinar simultáneamente y con exactitud, la posición y la velocidad del electrón"
Pero, ¿por qué?Si queremos observar la posición de un electrón deberíamos usar una luz que posee
mucha energía, con lo cual la velocidad del electrón cambiaría mucho.En cambio, si la luz utilizada
no posee la energía citada en el caso anterior, la velocidad del electrón no cambaría mucho, y podría
medirse, pero no podríamos observar la posición del electrón.
Para solucionar este problema surge un nuevo concepto, "el ORBITAL ATÓMICO"
es la región del espacio en la cual existe mayor probabilidad de encontrar al electrón.
“El ORBITAL ATÓMICO"
Es la región del espacio en la cual existe mayor probabilidad de
encontrar al electrón
Representación mediante orbitales.
En ellos existe un 90-99% de
probabilidad de encontrar al electrón.
En la figura representación de un
ORBITAL "s"