1 A FENÓMENOS NUCLEARES

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NOMBRE:
NOTA (ACUMULATIVA):
CURSO: 4º medio
PUNTAJE:
FECHA:
ACTIVIDAD ACUMULATIVA: “FENÓMENOS NUCLEARES”
Aprendizajes esperados:
- Comprender qué es la radiactividad a partir de la estructura atómica.
- Conocer el origen de la radiactividad, su composición y propiedades.
- Distinguir las diferentes clases de emisiones radiactivas y sus propiedades.
- Conocer las leyes que rigen la desintegración radiactiva.
- Reconocer los principales beneficios de la utilización de tecnologías nucleares para el ser humano.
- Reconocer y evaluar los riesgos para el ser humano de las emisiones radiactivas naturales e inducidas y
aprender sobre métodos de protección.
Química nuclear
Se encarga de estudiar las reacciones en las que están involucrados los núcleos
atómicos, cabe señalar que en el núcleo se concentran los protones y los neutrones.
Las partículas fundamentales que intervienen en las reacciones nucleares son el
protón, el electrón negativo, el neutrón y el electrón positivo; teniendo masa
considerable el protón y el neutrón.
Lugar de origen de la radiación
Las radiaciones salen del núcleo de los átomos radiactivos y se originan por:
• transformaciones de neutrones en protones, en la emisión beta.
• inestabilidad en los núcleos de mayor masa (Z >82), en la emisión alfa.
Gamow y otros científicos explicaron, por Mecánica Cuántica, cómo a pesar de tener de
media una energía insuficiente, un grupo de protones y neutrones pueden escapar de
la fuerza nuclear fuerte agrupados en una partícula alfa.
¿Cómo pueden permanecer unidos los protones y neutrones en el núcleo?
Podemos explicar la estabilidad nuclear estudiando las fuerzas de unión o la energía de
enlace.
a) Las fuerzas de unión: tipo de atracción que de lugar a una fuerza entre los protones
que supere la fuerza de repulsión eléctrica de sus cargas, llamada fuerza nuclear
fuerte.
b) La energía: La estabilidad nuclear se puede explicar desde el punto de vista
energético.
Midiendo la variación entre la suma de la masa de los protones y neutrones cuando
están separados y su masa cuando están juntos formando el núcleo, se puede deducir
la energía de enlace entre ellos.
Como la energía de enlace o ligadura de todo el núcleo depende del número de
nucleones, para establecer una escala comparativa de la estabilidad de distintos
átomos se divide la energía de ligadura por el número de nucleones (número másico,
A) obteniéndose el concepto de Energía de Ligadura por nucleón (E /A).
La mayor energía de ligadura se produce sobre A= 60 con un valor superior a 8
Mev/nucleón.
Las reacciones nucleares que conduzcan a la producción de átomos con mayor energía
de ligadura por nucleón que los iniciales liberarán energía.
Se pueden predecir los dos tipos de reacciones radiactivas conducentes a liberación de
energía: procesos de fisión y fusión.
Reacciones
Nucleares
Son las reacciones en las cuales los núcleos se transforman en núcleos de diferentes
clases, como todos los núcleos están cargados positivamente (se encuentran los
protones y los neutrones), se necesita alta energía para que estén lo suficientemente
cerca para reaccionar, en toda reacción nuclear el número total de neutrones y
protones debe ser igual a los correspondientes números totales de los elementos que
entran en reacción. La energía liberada de un elemento radiactivo se define como la
masa por la velocidad de la luz al cuadrado (E= m*c2). Recuerda que un isótopo de un
elemento es el elemento con una mayor o menor cantidad de neutrones en su núcleo,
generalmente son inestables y sufren reacciones radiactivas.
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Fisión y Fusión
La fisión nuclear consiste en la división de un núcleo pesado de masa intermedia, este
proceso libera energía.
En la fusión nuclear dos núcleos livianos se combinan para formar uno más pesado
cuya energía de enlace es mayor.
Ambas situaciones emiten energía
Ecuaciones Nucleares
Las ecuaciones nucleares están vinculadas con los procesos de fisión y fusión. Las
reglas que debe seguir para igualar ecuaciones nucleares son:
1. A cada partícula se le asigna un superíndice igual a su número de masa y un
subíndice igual a su número atómico o carga del núcleo.
2. Un protón libre es el núcleo del átomo de hidrógeno, con número de masa y
número atómico igual a 1.
3. A un neutrón libre se le asigna un número atómico cero ya que no tiene carga, su
número másico es uno.
4. A un electrón se le asigna un número másico 0 y el número atómico –1.
5. Al positrón o electrón positivo se le asigna un número másico 0 y un número
atómico +1.
6. Una partícula alfa es un núcleo de helio por lo tanto tiene un número másico 4 y
número atómico 2.
7. La radiación gamma es una forma de luz y tiene número másico 0 y carga 0.
8. En una ecuación equilibrada la suma de los subíndices tiene que ser igual en los
dos miembros de la ecuación (reactantes y productos), al igual que la suma de los
superíndices.
Actividad: Descubrimiento y deducciones iniciales.
Becquerel estudió la posible emisión de rayos X por las sustancias fosforescentes.
Fluorescencia
La fluorescencia es la luminiscencia producida por determinados minerales cuando son
expuestos a la acción de ciertos rayos (rayos X, ultravioleta, visibles, catódicos y
radiactivos). Ejemplo de minerales emisores de luz fluorescente son el ópalo, la fluorita
y algunas calcitas.
Fosforescencia
La fosforescencia es la luminiscencia producida por un mineral durante un tiempo más
o menos largo, después de que ha cesado la fuente de radiación excitadora.
Ejemplo de minerales fosforescentes son la blenda y determinadas calcitas.
Becquerel usaba una sustancia fosforescente (sales de uranio) y una placa fotográfica.
Envolvía la placa en papel grueso y negro para que los rayos solares no la velaran y
colocaba las sales de uranio encima. Los rayos que emitía la sal eran muy energéticos,
atravesaban el papel y ennegrecían la placa. Se formaba una imagen en la placa que
era la silueta del trozo de sal depositada sobre el papel.
Procedimiento: Colocaba la sal a la luz del Sol para que los rayos solares la hicieran
más fosforescente y después depositaba la sal sobre el papel que recubría la placa.
Afortunado accidente: Un día nublado, sin fuerte luz solar, no realizó experiencias y
guardó las placas y la sal en un cajón (febrero 1886). Días después reveló las placas
esperando que la sal fosforescente emitiera algo, pero poco, y que dejara un tenue
rastro en la placa. Descubrió, por el contrario, que la placa estaba muy impresionada.
¡Más que en sus exposiciones habituales al sol que siempre estimulaban mucho la
fosforescencia de la sal!.
Experimentos de Becquerel:
1.- Experimentó con diferentes minerales de uranio y obtuvo siempre el mismo
resultado. Tanto si los exponía a la luz como si no persistía la emisión de rayos.
2.- Interpuso placas de vidrio entre la sal y la placa y comprobó que los rayos pasaban
igual.
3.- Cambió de posición la placa respecto a la muestra de sal y la placa se ennegrecía
igual.
4.- Puso las muestras al lado de un electroscopio cargado y observó que ionizaban el
aire y se descargaba rápidamente.
5.- Aumentó la masa del compuesto de uranio y comprobó que la rapidez con que la
placa se ennegrecía aumentaba.
6.- Calentó la sal, la enfrió, la trituró, la disolvió en ácidos, y la emisión de radiación no
varió con ninguno de estos cambios.
¿Qué conclusiones puedes sacar de cada tipo de experiencia y del proceder de
Becquerel?. Escríbelas en tu cuaderno.
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Actividad: ¿Cuál es la diferencia entre una reacción nuclear y una reacción
química?
¿Qué es la radiactividad?
Durante los siglos XIX y XX se publicaron la mayoría de las teorías atómicas que hasta
hoy conocemos. En ellas se postula que el átomo está formado por partículas aún más
pequeñas que los átomos: los neutrones, protones y electrones. Como ya sabes, los
protones tienen carga positiva, y según la ley de Coulomb las cargas eléctricas
cargadas con el mismo signo se repelen.
Algunos núcleos de algunos elementos de la tabla periódica son inestables y se rompen
emitiendo luz o partículas; este fenómeno se conoce como radiactividad.
La radiactividad es la emisión espontánea de partículas o de radiación
electromagnética o de ambas que sufren los núcleos inestables.
Actividad: ¿Qué emite la radiactividad?
Cuando ocurre una reacción nuclear, se emiten partículas sub atómicas como protón,
neutrón y electrón, y además se forman nuevas partículas.
Las partículas nuevas y más características de un fenómeno de radiación nuclear son
las partículas alfa, beta y la radiación gamma.
Cada una de estas partículas es de diferente naturaleza, y por tanto tienen carga y
masa diferente.
Mira la siguiente reacción nuclear:
- ¿Le falta algo?
- ¿Estará completa?
Para ambos elementos (Po y Pb), fíjate el número másico, A (212 y 208) y en el
número atómico, Z (84 y 82):
- ¿Son iguales?
- ¿Qué habrá que hacer para que sean iguales?
- ¿A qué corresponderá la letra X?
I. Realiza un trabajo de investigación que te permita saber cuál es la naturaleza de las
partículas que se emiten durante una reacción nuclear.
II. Luego de que hayas reunido la información necesaria, completa la tabla para
resumir las características de cada partícula y contesta las preguntas que se
encuentran a continuación.
A) Tabla resumen de naturaleza de la radiación
B) Preguntas y aplicaciones
1. Las partículas alfa son las partículas más grandes y con más masa, en cambio la
radiación gamma (radiación electromagnética) es energía desprendida de la reacción
nuclear. En relación a esto, ¿cómo crees que serán los efectos que cada una de estas
partículas puede tener sobre el ser humano?
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____________________________________________________________
____________________________________________________________
2. Ordena las partículas alfa, beta y gamma, en orden creciente de poder de
penetración.
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Como ya sabes, los isótopos inestables que decaen en forma natural a otros elementos más
pequeños y estables emiten ciertas partículas o energía.
¿Podemos utilizar estas emisiones en aplicaciones prácticas?
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A veces se trabaja con elementos que decaen en forma natural emitiendo, en forma controlada
partículas o energía. Estas partículas pueden ser utilizadas en algunas ramas de la ciencia o
bien, en medicina. ¿Cómo lo hacen?
Debido a que el isótopo utilizado emite una partícula conocida, es posible rastrear esta partícula
inestable que decae en el tiempo, o bien las radiación emitida por este isótopo.
También se utilizan isótopos radiactivos en medicina para el tratamiento de ciertos tumores.
¿Cómo lo hacen? En la mayoría de los casos, utilizan isótopos que emiten radiación
electromagnética la que daña células de origen tumoral.
3. Investiga sobre otras aplicaciones de la radiactividad hoy en día.
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Al proceso de convertir un átomo en otro se le llamó
transmutación nuclear.
Otra reacción nuclear es la fisión, en donde un núcleo pesado
se divide para formar núcleos más pequeños de masa
intermedia y uno o más neutrones. La gran estabilidad de los
núcleos formados (en comparación a los núcleos de origen)
permite que esta reacción libere gran cantidad de energía.
Este proceso puede ocurrir en forma natural o artificial.
Por otra parte, es posible que ocurra un fenómeno en el que se combinan dos pequeños núcleos
para formar otros mayores: la fusión nuclear.
I. Para comprender cuál es la diferencia entre una reacción nuclear y una reacción
química regular, reúne material adecuado que contenga esta información sobre
reacciones nucleares, radiactividad y aplicaciones de la radiactividad.
II. Luego de que dispongas de esta información, contesta las siguientes preguntas:
1. Confecciona una tabla de comparación entre ambas reacciones.
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3. En relación a la energía producida por las reacciones nucleares:
a. ¿Por qué se dice que esta energía es “energía limpia”?
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b. ¿Qué es un reactor nuclear?
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c. ¿Qué opinas de la construcción de un reactor nuclear para la generación de energía
para tu ciudad?
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d. ¿Qué ocurrió en Chernobil?
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4. ¿Qué es la bomba atómica? ¿Qué elementos se utilizaron? ¿En qué lugares fue
lanzada?
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REFORZAMIENTO DE IDEAS
1. Define:
Número atómico – Número másico – Núclido – Nucleones - Isótopo – Isóbaros –
Transmutación radiactiva – Vida media.
2. ¿A qué se debe el pode de penetración y de ionización de un núcleo radiactivo?
3. ¿Cómo es posible mantener la fuerza de cohesión dentro de un núcleo?
4. ¿En qué tipo de átomos se libera radiación?
5. Si los electrones están fuera del núcleo, ¿Cómo es posible que éste libere una
partícula beta?
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Completa las siguientes ecuaciones nucleares:
226
A.
………….

Ra
88
+
N
+
17

………...
O
N
6
210
+
Pb
+
……………
82
6
Li
+
3

……….
H
3
+

1
60
1
Ni
+
28
57

H
Co
1
1
Al
+
15

n
13
30
0
P

30
+
…………..
27
27
H.
……………
206

Po
84
G.
H
1
7
D.
F.
+
14

C
Energía
1
8
14
E.
+
2
7
C.
He
…………..
14
B.
4
Rn
Si
28
Al
+
…………
13
+
…………..
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EJERCICIOS DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA
1. El período de semidesintegración del estroncio-90 es de 28 años. Calcule:
a) Su constante de desintegración y la vida media.
b) El tiempo que deberá transcurrir para que una muestra de 1,5 mg se
reduzca un 90%.
Resp.: k = 0,0247 años-1 ;  = 40,39 años ; t = 17,54 años
2. Un núcleo radiactivo tiene una vida media de 1 segundo:
a) ¿Cuál es su constante de desintegración?.
b) Si en un instante dado una muestra de esta sustancia radiactiva tiene una
actividad de 11,1.107 desintegraciones por segundo. ¿Cuál es el número
medio de núcleos radiactivos en ese instante?.
Justifica la respuesta.
Resp.: : a) 1 s-1 ; b) 11,1.10 7núcleos
3.
a)
¿A qué se llama vida media de un núcleo inestable? ¿Cuál es la ley de
desintegración radiactiva?
b)
¿Qué es una serie radiactiva? Cita una de ellas.
4.
El
período de semidesintegración del polonio-210 es de 138 días. Si
disponemos inicialmente de 2 mg de polonio-210. ¿Qué tiempo debe de
transcurrir para que queden 0,5 mg? Resp. 276 días
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5. El período de semidesintegración de un núcleo radiactivo es de 100 s. Una
muestra que inicialmente contenía 109 núcleos posee en la actualidad 107
núcleos. Calcula:
a) La antigüedad de la muestra.
b) La vida media.
c) La actividad de la muestra dentro de 1000 s.
Resp.: : a) 664,5 s ; b) 144,3 s ; c) 67,8 núcleos que se desintegran por s
6. Si inicialmente tenemos 1 mol de átomos de radio ¿ Cuántos átomos se han
desintegrado en 1995 años ?. Resp.: 3,181.1023átomos
7. Se tienen 100 gramos de una muestra radiactiva y se observa que en un día se
desintegra el 20% de la misma. Calcula:
a)
b)
c)
d)
Constante de desintegración.
Período de semidesintegración.
Vida media.
Masa que quedará después de 20 días.
Resp.: λ=2,58x10-6 s-1 ; t=3,11 días ; Ʈ=4,49 días ; m=1,16 g
8. La erradicación parcial de la glándula tiroides en pacientes que sufren de
hipertiroidismo se consigue gracias a un compuesto que contiene el núclido
radiactivo del I–131. Este compuesto se inyecta en el cuerpo del paciente y se
concentra en la tiroides destruyendo sus células. Determina cuántos gramos del
núclido I–131 deben ser inyectados en un paciente para conseguir una actividad
de 3,7·109 Bq (desintegraciones/s). El tiempo de vida medio del I–131 es 8,04
días. Resp.: m=5,59x10-7 g
9. El período de semidesintegración del estroncio-90 es de 28 años. Calcule:
a)
su constante de desintegración y la vida media;
b)
el tiempo que deberá transcurrir para que una muestra de 1,5 mg se
reduzca un 90 %.
N = N0 e
-t
desintegración radiactiva
t = T1/2 = ln 2/tiempo transcurrido para que los átomos iniciales se
reduzcan a la mitad.
N = N0 2 –t/ T1/2