Procesos Nucleares 1 Prof. Rosina Pérez ¿A qué nivel estamos hablando? NUCLEO ~ 10-14 m Átomo MATERIA ~ 10-9 m 2 Prof. Rosina Pérez Electrón ÁTOMO ~ 10-10 m Protón Neutrón NUCLEO ~ 10-14 m NUCLEÓN ~ 10-15 m Quarks NUCLEÓN ~ 10-15 m El Núcleo El núcleo está compuesto por neutrones y protones. El número de protones es el Número Atómico La suma de los protones y los neutrones es el Nº Másico. 3 Prof. Rosina Pérez Isótopos No todos los átomos del mismo elemento, tienen que tener la misma masa. Pueden tener distinta cantidad de neutrones. Hay tres isótopos del Uranio que aparecen en la naturaleza. Uranio-234 Uranio-235 Uranio-238 4 Prof. Rosina Pérez Descubrimiento de la radiactividad Henri Becquerel en 1896 en Francia Pierre Curie 5 Prof. Rosina Pérez Marie Curie Radiactividad No es raro que algunos isótopos de un elemento sean inestables (Radioactivos) Los llamamos radioisótopos Los radioisótopos pueden desintegrarse en un isótopo distinto de varias formas. Premio Nobel compartido1903 Marie Sklodowska Curie por el descubrimiento de la Radiactividad (recomiendo enfáticamente leer su biografía) Premio Nobel 1911 Descubrimiento del Po y el Ra 6 Prof. Rosina Pérez Tipos de emisiones radiactivas Lord Ernest Rutherford Premio Nobel de Química 1908 'Por sus investigaciones sobre la desintegración de los elementos, y sobre la química de las sustancias radiactivas" Experimento de Rutherford: Efecto de un campo eléctrico sobre las radiaciones 7 Prof. Rosina Pérez Tipos de desintegración Radiactiva 8 Prof. Rosina Pérez Desintegración Alfa: Pérdida de una particula alfa α (un núcleo de Helio) 4 2 238 92 9 Prof. Rosina Pérez U He 234 90 4 2 Th + He Desintegración Alfa: 238 92 U 234 90Th 4 2 He Suma de nº másicos: 238 = 234 + 4 Suma de nº atómicos: 92 = 90 + 2 10 Prof. Rosina Pérez Desintegración Alfa: 212 83 Bi 208 81 Tl 4 2 Suma de nº másicos: 212 = 208 + 4 Suma de nº atómicos: 83 = 81 + 2 11 Prof. Rosina Pérez Desintegración Beta: Pérdida de una partícula Beta β (un electrón de alta energía) 0 −1 131 53 12 Prof. Rosina Pérez I o 131 54 0 −1 e Xe + 0 −1 e Desintegración Beta: Pérdida de una partícula Beta β (un electrón de alta energía), que sale de la desintegración de un neutrón en un protón más un electrón de alta energía . 0 0 o −1 −1 e 1 0 n 12 5 13 1 1 p B Prof. Rosina Pérez + 0 −1 e Neutrón = protón + electrón 12 6 C 0 1 e Nº másico queda igual, aumenta en 1 unidad el Nº atómico Emisión Gamma γ: Pérdida de un rayo gamma γ (Radiación de alta energía que casi siempre acompaña la pérdida de una partícula nuclear). 0 0 14 Prof. Rosina Pérez Estabilidad nuclear ¿Qué factores determinan si el núcleo es naturalmente estable o inestable? Si nos fijamos en el rango de núcleos estables que existen en la naturaleza, hay dos observaciones 1. El tamaño del núcleo. 2. La composición del núcleo (relación protón/neutrón) 15 Prof. Rosina Pérez El tamaño del núcleo. No hay núcleos estables más allá del 16 Prof. Rosina Pérez 209 83 Bi Relaciones Neutrón-Protón Cualquier elemento que tenga más de un protón (por ej. cualquier elemento que no sea el Hidrógeno), va a tener fuerzas de repulsión entre los protones del núcleo. Lo que los mantiene juntos es una fuerza nuclear muy fuerte. 17 Prof. Rosina Pérez Relaciones Neutrón-Protón Los neutrones son fundamentales para estabilizar el núcleo. Es por eso que es tan importante la relación entre la cantidad de protones y neutrones. 18 Prof. Rosina Pérez Relaciones Neutrón-Protón Los núcleos pequeños (Z 20) estables tienen una relación Neutrón-Protón de 1:1 19 Prof. Rosina Pérez Relaciones Neutrón-Protón En la medida que el núcleo se va agrandando, se necesita mayor cantidad de neutrones para estabilizar al núcleo. 20 Prof. Rosina Pérez Isótopos estables La región sombreada de la figura muesta qué isótopos serían estables. A esta región se le llama cinturón de estabilidad. 21 Prof. Rosina Pérez Isótopos estables Los isótopos que están por arriba del cinturón tienen demasiados neutrones. Tienden a desintegrarse emitiendo partículas beta. 22 Prof. Rosina Pérez Estabilidad nuclear Los que son estables son los que están dentro del cinturón de estabilidad 23 Prof. Rosina Pérez Isótopos estables No hay núcleos estables con números atómicos mayores a 83. Los núcleos tan grandes tienden a desintegrarse por emisión alfa. 24 Prof. Rosina Pérez Series radiactivas Los grandes núcleos radiactivos no se estabilizan con una sola transformación radiactiva. Deben pasar por una serie de estados y desintegraciones antes de formar un núcleo estable. (En general un núcleo de plomo). 25 Prof. Rosina Pérez Transformaciones Nucleares Se pueden inducir transformaciones nucleares. Para ello se acelera una particula y se la hace chocar contra un núcleo. 26 Prof. Rosina Pérez Radiactividad inducida artificialmente Rutherford 1919. Irene Joliot-Curie. 27 Prof. Rosina Pérez Premio Nobel compartido en 1938 Aceleradores de partículas Estos aceleradores de partículas son enormes. Tienen forma circular, con radios que pueden a llegar a medir kilómetros. Este es el acelerador del CERN en la frontera entre Francia y Suiza. 28 Prof. Rosina Pérez Midiendo la radiactividad La radiactividad se puede medir. Se puede utilizar un instrumento como este contador Geiger para medir la cantidad de actividad radiactiva presente en una muetra radiactiva. La radiación ionizante crea iones que conducen una corriente que es detectada por el intrumento. 29 Prof. Rosina Pérez ¿Qué significa “Radiación ionizante”? Las partículas cuando pasan cerca de 1 átomo, “descolocan” e-lo que se llama radiación ionizante. Esos son e- primarios. Algunos e- primarios tienen energía suficiente para ionizar otros átomos y moléculas, esos son los e- secundarios 30 Prof. Rosina Pérez Radiación ionizante La radiación ionizante pude excitar e- a mayores niveles de energía que después pueden emitir en forma de rayos X o luz u.v. 31 Prof. Rosina Pérez Midiendo la radiactividad La radiactividad se puede medir. Se puede utilizar un instrumento como este contador Geiger para medir la cantidad de actividad radiactiva presente en una muetra radiactiva. La radiación ionizante crea iones que conducen una corriente que es detectada por el intrumento. 32 Prof. Rosina Pérez Detector de radiación El dispositivo más familiar de detección de radiación es el contador Geiger–Müller 33 Prof. Rosina Pérez Medidores de radiación Dosímetros 34 Prof. Rosina Pérez Contador Geiger-Müller 35 Prof. Rosina Pérez Vida Media de un elemento radiactivo Es el tiempo que demora en reducirse a la mitad de la masa 36 Prof. Rosina Pérez Vidas medias de isótopos seleccionados La vida media es una propiedad característica del isótopo 37 Prof. Rosina Pérez ¿Qué son capaces de atravesar las radiaciones? Las distintas radiaciones tienen distinta capacidad de penetración en los medios materiales debido a las interacciones que intervienen en el proceso de frenado de las partículas y propiedades de las mismas partículas como masa, carga, ... ALFA α BETA β GAMMA γ Papel Cobre Plomo Hormigón Distancias aproximadas para detener la radiación Los diferentes materiales tienen diferente capacidad de bloquear la radiación 39 Prof. Rosina Pérez Energía en las reacciones nucleares El núcleo tiene una cantidad impresionante de energía en su interior. La famosa ecuación de Einstein E = mc2 nos da la relación directa para el cáculo de esta energía. 40 Prof. Rosina Pérez Energía en las reacciones nucleares Como vimos previamente, la cantidad de masa que se convierte en energía en las reacciones químicas es bajísima. Sin embargo, en las reacciones nucleares esa energía es miles de veces más grande. m = –0.0061 u.m.a. , si fuera no 1 átomo de Am, sino 602.000 trillones de átomos de Am, sería m = –0.0061 gramos 41 E = ( m) c2 E = (−6,1 10−6 kg)(3.00 Prof. Rosina Pérez E = −5,5 1011 J 108 m/s)2 Energía en las reacciones nucleares Por ejemplo, el cambio de masa en la desintegración de un 238 g de uranio-238 es de 0,0046g. El cambio de energía( E) es entonces, E = ( m) c2 E = (−4.6 10−6 kg)(3.00 108 m/s)2 E = −4.1 1011 J 42 Prof. Rosina Pérez Fisión Nuclear ¿Cómo se genera toda esa energía? La fisión nuclear es el tipo de reacción que se lleva a cabo en los reactores nucleares. 43 Prof. Rosina Pérez La Fisión es la ruptura de un núcleo grande en otros dos fragmentos más chicos …se libera aprox. 8 × 107 kJ/g 44 Prof. Rosina Pérez Fisión Nuclear El proceso empieza cuando se bombradea un núcleo radiactivo con un neutrón. Los Neutrones que se escapan en el choque, chocan con otros núcleos, estos generan la desintegración y liberación de otros neutrones. 45 Prof. Rosina Pérez Fisión Nuclear El proceso continúa en lo que se llama una reacción en cadena. 46 Prof. Rosina Pérez Fisión Nuclear Si no hay suficientes núcleos radiactivos en el camino de los neutrones expulsados, la cadena se detiene. 47 Prof. Rosina Pérez Fisión Nuclear Por lo tanto debe haber una cantidad mínima de material fisionable, para que la reacción en cadena pueda sostenerse. A esta cantidad mínima se le llama Masa crítica. 48 Prof. Rosina Pérez 49 Prof. Rosina Pérez Agosto 06, 2014 Hace 70 años del estallido de la bomba en Hiroshima. 50 Prof. Rosina Pérez Reactores nucleares En los reactores nucleares, el calor generado por la reacción, se utiliza para generar vapor. Este vapor mueve una turbina que está conectada a un generador. De esta manera se genera electricidad a partir de la reacción nuclear. 51 Prof. Rosina Pérez Diagrama de un Reactor Nuclear presurizado 52 Prof. Rosina Pérez Reactores nucleares La reacción se mantiene controlada por el uso de barras de control. Estas barras bloquean los caminos de algunos neutrones, evitando que el sistema llegue a una masa supercrítica. (Muy peligroso) 53 Prof. Rosina Pérez Sala de control del Reactor Nuclear… 54 Prof. Rosina Pérez Fisión Nuclear Para 235 gramos de U-235 la E liberada es de 2x1013 J. 1 Ton de carbón libera 8x107 J. 1 kg de U libera la misma energía que 12.000 kg de TNT 90 37 235 92 U 1 0 n 87 35 77 30 55 Prof. Rosina Pérez Rb 144 55 1 0 Br 146 57 1 0 Zn 160 62 Cs 2 n La 3 n 1 0 Sm 4 n Radiactividad natural La radiación natural a la que está expuesta la población proviene de la desintegración de isótopos radiactivos en la corteza terrestre, de la radiación cósmica y de los isótopos radiactivos que forman parte de los seres vivos, también llamada radiación interna Rayos Cósmicos 12% Radiación Gamma 15% Radón 40% Radiación Interna 15% Tratamientos Médicos 17% Fuentes naturales de irradiación humana 57 Prof. Rosina Pérez 58 Prof. Rosina Pérez El Radón en nuestras vidas El radón emana continuamente de la superficie terrestre. El radón es un gas y por tanto es respirado por los seres vivos. Cuando este elemento queda atrapado en algún recinto su concentración puede aumentar considerablemente y causar daño en los seres vivos, por eso hay que ventilar las casas. Efectos biológicos de la radiación 61 La radiación ionizante puede producir daños en el material biológico que constituye el organismo humano. Este daño será el resultado de la transferencia de energía de las radiaciones a las moléculas de estas estructuras. Especialmente significativas a las macromoléculas como ADN y todo mecanismo portador de la información para el control fisiológico-bioquímico del organismo. Prof. Rosina Pérez Efectos biológicos Daños agudos inmediatos: Quemaduras de la piel Hemorragias Diarreas Infecciones Efectos tardios: Cáncer Efectos hereditarios 62 Prof. Rosina Pérez Efectos biológicos de la radiación 1.- Relación entre la magnitud del daño y la gravedad de la enfermedad (la dosis es directa) 2.- Los efectos se producen en un plazo relativamente breve (días). 3.- Existe un umbral. 63 Prof. Rosina Pérez Factores que influyen en los efectos biológicos Son propios de la radiación ionizante: Naturaleza Su energía Intensidad Composición Efectos cancerígenos Sobrevivientes de Hiroshima y Nagasaki. 86.000 personas recibieron al menos 0.005 Sv. En este grupo el desarrollo de cáncer excedió al de grupos control. Se produjeron 334 muertes en exceso por tumores sólidos y 87 muertes en exceso por leucemia. De 86.572 sobrevivientes de Hiroshima y Nagasaki 7,827 personas murieron de cáncer en 1950-90: Tumores Leucemia Total Observados 7578 249 7827 Esperado 7244 162 7406 Ref: Pierce et al, Rad.Res. 146: 1-27, 1996 65 Prof. Rosina Pérez en Exceso (%E) 334 (4.4) 87 (35.0) 421 (5.4) Efectos hereditarios La irradiación de las gónadas pueden producir mutaciones, las que pueden ser transmitidas a los descendientes de las personas irradiadas. En los descendientes pueden aparecer anomalías de todo tipo y en todos los órganos y tejidos. Hasta la fecha no existe evidencia científica alguna de efectos hereditarios en el hombre a ningún nivel de dosis. Todos los valores que uno encuentra en la literatura son extrapolaciones de los resultados en animales de experimentación, al hombre. Y las estadísticas obtenidas en las zonas de Hiroshima, Nagasaki y Chernobyl. 66 Prof. Rosina Pérez Beneficios de la Radiación en Medicina El uso de la radiación en el diagnóstico y el tratamiento de enfermedades se ha convertido en una herramienta básica en medicina. Con ella se ha podido realizar exploraciones del cerebro y los huesos, tratar el cáncer y usar elementos radiactivos para dar seguimiento a hormonas y otros compuestos químicos de los organismos. Diagnóstico Radiológico (Rayos X) Medicina Nuclear Radioterapia ETC;ETC… 68 Prof. Rosina Pérez Tomografía por Emisión de Positrones Irradiación de alimentos Tratamiento equivalente a la pasteurización o esterilización 69 Prof. Rosina Pérez Desactiva enzimas, mata microorganismos y parásitos Radiación para mejorar alimentos En las papas se evitan los brotes 70 Prof. Rosina Pérez Radiación para mejorar alimentos En las frutillas se evita el típico moho blanco 71 Prof. Rosina Pérez Resumen de conceptos Qué es la radiactividad Tipos de radiaciones Tipos de decaimiento radiactivo Cinturón de estabilidad y relación N/Z Diferencias entre radiactividad natural y artificial Vida media Fisión nuclear Fuentes naturales de Radiactividad Efectos y usos de la radiación 72 Prof. Rosina Pérez