Química nuclear

Química nuclear

1. Radiactividad

   • Descubierta por Becquerel a través del estudio del uranio
     • Observa la fosforescencia
       • Propiedad que permite a ciertos materiales absorber energía y emitirla luego en forma de radiación
     • Los rayos provenientes del mineral difieren de los rayos x, en que las radiaciones del uranio se emitían de manera espontánea
     • Matrimonio Curie descubren que el fenómeno era exclusivo del núcleo del átomo
       • Descubren dos elementos radiactivos, polonio y radio
   • Proceso exergónico donde los núcleos hijos son más estables que el núcleo padre
   • Tipos de emisiones
     • Radiactividad natural
     • Radiactividad artificial
       • Ocurre por bombardeo de neutrones de un núcleo estable no radiactivo

2. Isótopos

   • Mismos elementos que se diferencian de la cantidad de neutrones
   • Mismo número atómico (Z)
   • Distinto número másico (A)
   • El isótopo más pesado es el más radioactivo (más inestable)
   • La masa atómica promedio es el promedio de abundancia isotópica
   • Los isótopos de un elemento tienen siempre el mismo comportamiento químico, como el mismo tipo de enlace con otros átomos y formación de los mismos compuestos químicos

3. Isóbaros

   • Distintos elementos de igual masa atómica
   • No presentan el mismo comportamiento químico

4. Isótonos

   • Distintos elementos con el mismo número de neutrones

5. Átomos isoelectrónicos

   • Elementos diferentes con el mismo número de electrones, por lo tanto igual configuración electrónica

6. Descubrimiento de los rayos x

   • Descubiertos por Roentgen
   • Los rayos catódicos no podían atravesar el tubo de vidrio, pero observó que una radiación invisible atravesaba las paredes e impactaba una pantalla cubierta con una sal fluorescente que destellaba cada vez que conectaba el tubo de descarga. La radiación invisible la denominó rayos x
   • Von Laue determinó la naturaleza electromagnética de los ayos x
   • Propiedades de los rayos x
     • Son radiaciones electromagnéticas
     • Se propagan en línea recta a la velocidad de la luz
     • Imposible de desviar su trayectoria por un lente o prisma, pero si por una red cristalina
     • Son radiaciones ionizantes
     • Pueden destruir células vivas
     • El grado de penetración depende de su energía y la naturaleza del medio que atraviesa

7. Radioactividad

   • Fenómeno que ocurre cuando un núcleo es inestable y emite partículas y/o radiaciones electromagnéticas de manera espontánea

8. Transmutación nuclear

   • Ocurre cuando se bombardea al núcleo con neutrones, protones y otro núcleo
     • Átomo se transforma en otro por el cambio del número de protones, de forma natural o artificial

9. Conceptos

   • Núclido o nucleoide
     • Caracterización de un núcleo con un número definido de protones y neutrones
     • Un radionúclidos es la forma inestable de un núclido que emite radiaciones a medida que se descompone y se vuelve más estable
   • Decaimiento radiactivo
     • Sucesión de reacciones para que un núcleo inestable modifique su número atómico y se estabilice
     • Franja de estabilidad
       • Se ubican los elementos que son estables
       • Izquierda de la franja
         • Núclidos con exceso de neutrones
         • Se debe disminuir los neutrones y aumentar a los protones
         • Emite radiaciones beta
       • Derecha de la franja
         • Núclidos con exceso de protones
         • Se debe disminuir los protones y aumentar a los neutrones
         • Emite un positrón o realiza una captura electrónica
   • Nucleones
     • Partículas que conforman el núcleo
   • Núcleo inestable
     • Núcleo que experimenta un proceso de desintegración nuclear

10. Emisiones radioactivas

    • Emisión alfa
      • Carga eléctrica +2
      • Masa atómica de 4, 2 protones y 2 neutrones
        • Idéntico al núcleo de Helio
      • Poco poder de penetración
      • Gran capacidad ionizante
    • Captura electrónica
      • Electrón proveniente de las capas más internas del átomo cae dentro del núcleo
      • Protón se transforma en neutrón
    • Emisión gamma
      • Radiación electromagnética de alta energía, sin masa ni carga eléctrica
      • Se forman isómeros nucleares
        • Radioelemento existe en dos formas distintas, amabas con el mismo número atómico y masa atómica, pero con diferente energía
      • Mayor poder de penetración en comparación con emisiones alfa y beta
      • Tienen el menor poder ionizante
    • Emisión de positrones
      • Protón del núcleo se transforma en neutrón
      • Aniquilación
        • Positrón choca con un electrón, ambos se aniquilan y se emiten dos fotones de radiación gamma
    • Emisión beta
      • Carga eléctrica -1
      • Partículas beta idénticas a los electrones y son más pequeñas que las alfas
        • Viajan a una velocidad cercana a la de la luz
      • Mucho más penetrantes que las radiaciones alfa
      • Provienen del núcleo producto de la desintegración de un neutrón
      • Núcleo hijo isóbaro al átomo que lo generó

11. Estabilidad de radionúclidos

    • Núcleos con un número atómico mayor a 84 es inestable, y desintegra de manera espontánea, emitiendo partículas alfa
    • Núcleos con número par de protones y neutrones son más estables que los asociados a impares
    • La estabilidad puede relacionarse con la cantidad de protones y neutrones
    • Entre menor cantidad de isótopos, más estabilidad
    • Interacciones de corto alcance
      • Permite mantener unidos a los nucleones

12. Series radiactivas

    • Proceso completo que inicia con el núcleo radiactivo que pasará por sucesivas emisiones y transmutaciones, terminando un núcleo más estable
      • Serie más estudiada es el de uranio-238 que termina en plomo-206 (átomo totalmente estable)

13. Período de semidesintegración o tiempo de vida media

    • Tiempo que demora una muestra radiactiva en tener la mitad de su radiación inicial
    • Masa remanente
      • Masa que queda
    • Si la vida media es larga, su velocidad es lenta o baja
    • Si la vida media es pequeña, la velocidad es grande o rápida
    • Mide la velocidad de las emisiones

14. Fenómenos radiactivos

    • Fisión
      • Núcleo pesado se divide en varios núcleos más pequeños al incidir en él un neutrón
      • Libera grandes cantidades de energía
      • Se fisionan el uranio-235, uranio-233 y plutonio-239
      • Se liberan más neutrones de los que son capturados, estos pueden inducir a nuevas reacciones de fisión
      • Masa crítica
        • Cantidad mínima de masa necesaria para que los neutrones sean capturados, así se forma una reacción en cadena
      • Bomba atómica
        • Primera aplicación de la fisión
    • Fusión
      • Dos o más núcleos livianos se unen formando un solo núcleo hijo de mayor masa
      • Se libera una enorme cantidad de energía
      • Productos no radiactivos
      • Para fusionar dos núcleos se necesita vencer sus fuerzas de repulsión
      • Se necesita cerca de 15 millones de grados Celsius (temperatura del núcleo del sol)

15. Reactor nuclear

    • Instalación donde se produce, mantiene y controla una reacción nuclear en cadena
    • Funcionan realizando fisión y utilizando el calor liberado de esta reacción para hervir agua
    • Las centrales nucleares se encuentran instaladas cerca de una fuente abundante de agua
    • La energía calorífica del vapor de agua se convierte en energía mecánica en una turbina, luego la energía mecánica se convierte en energía eléctrica mediante un generador
    • Para reutilizar el vapor de agua hay que refrigerarla antes de volverla a introducir en el circuito, para esto entra en un tanque de condensación donde se enfría y se vuelve líquido, y mediante de una bomba vuelve nuevamente al reactor nuclear
    • Presenta varillas de carbono o boro que es el sistema de control de la reacción, atrapando neutrones
    • Genera contaminación, eliminan a la atmósfera grandes cantidades de materiales radiactivos provenientes de los desechos nucleares

16. Aplicaciones de la radiactividad

    • Agricultura
      • Mutaciones en las plantas
      • Optimizar el uso de fertilizantes
      • Luchar contra las plagas (insecticidas)
    • Industria
    • Medicina
      • Campo de diagnóstico
      • Obtención de imágenes
      • Estudiar el modo de acción de los medicamentos
      • Detectar una anomalía
      • Tratamientos de cáncer
      • Radiología y radioterapia
    • Arqueología
      • Utiliza el carbono-14 que se forma en la atmósfera superior por reacción entre átomos de nitrógeno y neutrones
      • El carbono-14 se combina con oxígeno para formar dióxido de carbono, que es incorporado por las plantas durante la fotosíntesis, y así entra en las cadenas alimenticias
      • Al morir el organismo, la cantidad de carbono-14 disminuye, ya que emite radiaciones del tipo beta negativo
      • La vida media del carbono-14 es de 5730 años
      • En geología, se utiliza el carbono-14, uranio-238 y potasio-40 para datar edades de rocas