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ENERGIA NUCLEAR
ANTECEDENTES HISTORICOS
M.Sc. Mario Mallaupoma Gutiérrez
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 AbderaPrimero en utilizar término ATOMO
ANTECEDENTES HISTORICOS
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 porotra conteniendo una veintena de elementos verdaderos
Priestley y Cavendish,
Demostraron que el agua estabaformada 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 tubode 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
En 1895 :Wilhelm Conrad Roentgendescubre 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”
DESCUBRIMIENTO DE LA RADIACTIVIDAD
La fluorescencia es una propiedad que tienen algunas substancias que consiste en emitir una luzde 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 sacóla 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
Su experimento fue sencillo: expuso a la luz .del Sol una muestra de sal de uranio colocadasobre una placa fotográfica [una placa fotográfica es un material que está recubiertopor una sal (cloruro o bromuro) de plata.
Se dice que una placa se vela cuando, al incidir sobre ella algún tipode radiación, la placa se oxida y se ennegrece, manifestándose así la incidenciade esa radiación] envuelta en dos hojas depapel negro grueso, tan opaco a la luz queaun después de un día de exposición a la
luz solar no podía velarse.
EXPERIMENTO DE HENRY BECQUEREL
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.
Marie y Pierre Curie :
Encontraron fuentes mucho más poderosaque 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.
"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."
"Sus ojos parecían imanes, o mejor dicho, no sólo atraían, sino que además transmitían una energía especial: Parecían cristales de uranio en vivo".
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.
Con sus hijos : Pierre y Helene
Descubrimiento de la radiactividad artificial
Descubrieron que partiendo del aluminio,que tiene 13 protones y 14 neutrones, terminaron con fósforo-30 (15 protones y 15 neutrones).
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 demasa aproximada al protón, perosin 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
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.
DESCUBRIMIENTO DE LA FISION NUCLEAR
Lise Meitner y su sobrino Otto Frisch
Sugieren que la masa desaparecida sehubiese 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.
"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".
E = m c2
MODELOS ATOMICOS
Joseph John Thomson
El ánodo y el cátodo se hallanconectados a una fuente de altovoltaje (más de 10000 volts).En el tubo de vidrio se encuentraun gas a baja presión(aprox. 0,001 mm de Hg).
LOS RAYOS CATODICOS SE PROPAGAN ?
Pudo observar que los mismos se desplazaban en línea rectay producían un destello al llegar a una pantalla formada por unasustancia fluorescente
De dónde parten los rayos catódicos ?
El ánodo y el cátodo se hallan conectados a una fuente de altovoltaje (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 quese formaba una sombra en la pared opuesta al cátodo. Ésto indicaba que los rayos partían delcátodo. Por eso se los llama RAYOS CATÓDICOS
El ánodo y el cátodo se hallanconectados a una fuente de altovoltaje (más de 10000 volts).
En el tubo de vidrio se encuentra un gas a baja presión (aprox. 0,001 mm de Hg).
Los rayos tienen masa ?
En el camino de los rayos interpusouna pequeña rueda. Observó que larueda giraba como consecuenciadel paso de los rayos. Por lo tantolos rayos poseían masa
Qué carga tienen los rayos ?
El ánodo y el cátodo se hallan conectados a una fuente de altovoltaje (más de 10000 volts). En el tubo de vidrio se encuentraun gas a baja presión(aprox. 0,001 mm de Hg).
Utilizando un campo eléctrico o un campo magnético, comprobóque los rayos se desviaban alejándose del polo negativo delcampo y se acercaban al polopositivo. Este comportamiento indicaba quelos rayos eran partículas negativas
MODELO DE THOMSON
Si se somete un gas a bajas presiones, y a una diferencia de potencial de másde 10000 volts desde uno de sus electrodos parten rayos. Las propiedades de estos rayos fueronestudiadas por Thomson, quien llegó alas siguientes conclusiones sobre los mismos:
se desplazaban en línea rectaLos rayos partían del cátodo los rayos poseían masalos 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 unaesfera de carga positiva en la cual seencuentran incrustadas las cargasnegativas (electrones) de forma similar a como se encuentran las pasas de uvaen un pastel.
Además, como el átomo es neutro lacantidad de cargas positivas es iguala la cantidad de cargas negativas.
Ernest Rutherford
Para analizar cual era la estructura del átomo, Rutherford diseño un experimento
El experimento consistía enBombardear una fina láminade oro con rayos alfa. Para observar el resultado de dicho bombardeo, alrededor de la lámina deoro 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 espaciovacío
Algunos rayos se desviaban, porque pasan muycerca de centros con carga eléctrica del mismo tipoque 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 hidrógenocon un protón en el núcleo, ygirando a su alrededor un electrón.
En éste modelo los electrones giranen órbitas circulares alrededor del núcleo;
ocupando la órbita de menor energíaposible, o sea la órbita más cercanaal núcleo posible.
Cada nivel energético que identifica a cada una de las órbitas, toma valoresdesde 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 cualesse 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 átomosse 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 formade 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 poseemucha 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 podríamedirse, 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"
