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Clase 11 mención
el mundo atómico ii
1. Núcleo atómico
2. Radiactividad
3. Energía nuclear
Núcleo atómico
1.1 Componentes
El núcleo es una masa muy compacta formada por protones y neutrones.
Neutrón (n)
No tienen carga eléctrica y son casi del
mismo tamaño que los protones. Los
neutrones ayudan a reducir la repulsión
eléctrica que existe entre los protones
cargados positivamente, estabilizando el
núcleo atómico.
Su masa =1,674954·10-27[kg]= 1,00867 [uma]
Unidad de masa atómica (UMA): Unidad utilizada para medir cantidades de masa muy
pequeñas en un átomo. Su valor es 1,6605·10-27 [kg]
Spin: Corresponde al giro del electrón dentro del orbital. En un orbital lleno
existen dos electrones con spin contrario.
•
Se designa con +1/2 cuando el
electrón gira con sentido
contrario a las manecillas del
reloj.
•
Se designa con -1/2 cuando el
electrón gira en el sentido de
las manecillas del reloj.
Los Fermiones tienen Spin semi-entero como los Quarks y los Leptones.
Los Bosones poseen Spin entero como los fotones.
Número atómico (Z)
Corresponde al número de protones presentes
en el núcleo atómico. Como los átomos son
neutros, este número corresponde también al
número de electrones del átomo.
Número másico (A)
Corresponde a la cantidad de protones más
neutrones presentes en el núcleo. A la suma de
protones más neutrones se le llama nucleones.
El número de neutrones presentes en el núcleo,
se puede calcular como A - Z
Isóbaros: aquellos átomos que presentan igual número másico y distinto número
atómico.
Isótonos: son átomos que presentan distinto número másico, distinto número
atómico, pero tienen igual número de neutrones.
Son aquellos átomos que presentan distinto número másico (A), pero igual número
atómico (Z). Se establece en átomos de un mismo elemento.
Por ejemplo, para los isótopos de hidrógeno, tenemos:
• Hidrógeno común (Protio): Tiene un protón en el núcleo (a).
• Deuterio: Tiene un protón y un neutrón en el núcleo (b).
• Tritio: Tiene un protón y dos neutrones en el núcleo (c).
Carbono (C)
Nitrógeno (N)
Oxigeno (O)
Cloro (Cl)
Uranio (U)
Azufre (S)
• 126C - 136C - 146C
• Datación de especímenes orgánicos
• 147N - 157N
• Investigación medica, agricultura y resonancia magnética nuclear.
• 168O - 178 O - 188O
• Isotopo estable y ocurre naturalmente en el medio ambiente.
• 3517Cl - 3717Cl
• Datación geológica entre 60.000 y 1 millón de años
• 23592U – 23892 U – 23992 U
• Fisión nuclear.
• 3216S – 3316 S – 3416S – 3616S
• PH, fugacidad de oxigeno en formación de minerales.
Radiactividad
Proceso del núcleo atómico que produce la emisión de partículas energéticas. La
radiactividad se relaciona con la estabilidad del núcleo, la que, a su vez, depende de
la proporción entre protones y neutrones existentes en él.
•
Se llaman isótopos radiactivos o
radioisótopos a todos los isótopos que
emiten radiaciones. Si este proceso ocurre
de manera espontánea, se llama
radiactividad natural; mientras que si un
núcleo
estable
es
transformado
artificialmente en radioisótopo, se dice que
presenta radiactividad artificial.
Decaimiento radioactivo: Proceso en que
un núcleo emite partículas  o , o
radiación electromagnética .
La vida media de una sustancia
radiactiva es el tiempo necesario para
que se desintegren la mitad de los
núcleos presentes en dicha sustancia.
Es decir, si tenemos una masa m de una
sustancia, y al cabo de 14 días tenemos
la mitad de esa masa (m/2, la otra
mitad se ha desintegrado), diremos que
su vida media es de 14 días. Ejemplo
Carbono 14.
La vida media de C-14 es
5.730 años.
La vida media o el período de semidesintegración varía para las distintas sustancias
radiactivas. Sin embargo, cualquier sustancia radiactiva evoluciona en el tiempo,
ajustándose a una curva, como muestra la figura.
En el transcurso de su estudio sobre descargas eléctricas en gases, el físico alemán
Wilhelm Röentgen descubrió la existencia de una radiación invisible muy
penetrante que era capaz de ionizar el gas y provocar fluorescencia en él. Como
desconocía el origen de esta radiación, le dio el nombre de rayos X.
Wilhelm Röntgen
La propiedad de los rayos x de atravesar cuerpos opacos depende de la
composición de éstos. La madera, la carne, el papel, compuestos por elementos
químicos ligeros, no absorben los rayos x. Pero sí lo hacen los materiales como el
plomo, el hueso y el acero, formados por elementos químicos pesados. Para sacar
radiografías, sólo los rayos x, que llevan la dirección de la carne, impresionan la
placa, que aparece negra al revelarse. Por eso, los huesos aparecen blancos sobre
un fondo oscuro.
Si un rayo emitido por un elemento radiactivo se hace pasar a través de un campo
eléctrico, la radiación se descompone en rayos , rayos  y rayos .
Los rayos α son de baja penetrabilidad: los detiene una hoja de papel. En cambio,
los rayos β son alrededor de 100 veces más penetrantes, y los rayos  son 1000
veces más penetrantes en la materia.
Energía nuclear
Al medir la masa del núcleo y compararla con la
masa de los nucleones (protones y neutrones),
obtenida teóricamente, se descubrió algo
sorprendente: se obtuvo una diferencia de masa, a
la que se llamó defecto de masa. Éste se produce
porque parte de la masa de los neutrones se
transforma en energía cuando dichas partículas se
unen para formar un núcleo atómico.
La energía que se desprende de la formación de un
núcleo a partir de los nucleones se conoce como
energía de enlace nuclear.
Los procesos en los que se modifican los núcleos de los átomos reciben el
nombre de reacciones nucleares. En las reacciones nucleares, pequeñas
cantidades de masa se transforman en grandes cantidades de energía, de
acuerdo con la equivalencia establecida por Einstein:
E  mc
2
Albert Einstein
E = es la energía desprendida.
m = es la masa.
c = es la velocidad de
propagación de luz en el vacío.
Debido al elevado
valor de c, a partir de
una
pequeña
cantidad de materia
es posible obtener
una enorme cantidad
de energía.
Proceso en que un núcleo pesado se separa en
fragmentos de menor masa, liberándose gran
cantidad de energía.
Este proceso deja residuos radiactivos.
Por ejemplo, el núcleo de uranio 235 se rompe
en dos núcleos intermedios cuando se
bombardea con neutrones, además se obtiene
un átomo de bario 142, un átomo de criptón91, tres neutrones y una energía de 210
(MeV), que desprende en forma de calor.
Megaelectronvoltios [MeV]
corresponde a fotones
gamma de longitudes de
onda inferiores a 10-11[m] o
frecuencias superiores a
1019 [Hz].
La energía equivalente a
1 UMA = 931,49 (MeV) =1,49 · 10-10 joules.
Los neutrones que se obtienen en la fisión
de un núcleo de uranio 235 pueden
utilizarse para bombardear otros núcleos
de este isótopo y provocar nuevas fisiones
que, a su vez, producirán nuevos
neutrones. Así, el proceso se repetirá
sucesivamente. De este modo, se origina
una reacción en cadena mediante la cual,
en un tiempo muy breve, se consigue la
fisión de un gran número de núcleos y se
libera una enorme cantidad de radiación y
energía.
Proceso de unión de núcleos livianos para
formar otro un poco más pesado. Este
proceso no deja residuos radiactivos.
La fusión de un núcleo de deuterio con un
núcleo de tritio da lugar a la formación de
un núcleo de helio-4, además de un
neutrón y una energía de 17,6 (MeV), que
se desprende en forma de calor. Ésta es
una de las reacciones mediante las que el
sol produce energía.
Esta forma de producir energía todavía se encuentra en fase de
estudio y desarrollo, debido a que plantea serios problemas
tecnológicos que no han sido resueltos.
Energía nuclear
Una de las utilizaciones importantes de la energía nuclear se lleva a cabo en las
centrales eléctricas. Allí, las turbinas son movidas por vapor; el calor necesario para
obtener vapor se obtiene de la fisión nuclear en un reactor.
Pregunta PSU