REACCIONES NUCLEARESProf. C. Turriate

Comparacin de las reacciones qumicas con las reacciones nucleares

1. Los tomos se organizan por la ruptura y formacin de enlaces qumicos.2. Slo los electrones de los orbtales atmicos o moleculares participan en la ruptura y formacin de enlaces.3. Las reacciones se acompaan por la absorcin o liberacin de cantidades de energa relativamente pequeas.4. Las velocidades de reaccin se ven afectadas por la temperatura, presin, concentracin y catalizadores.

1. Los elementos (o los istopos de los mismos elementos) se convierten entre s.2. Pueden participar protones, neutrones, electrones y otras partculas elementales.3. Las reacciones van acompaadas por la absorcin o liberacin de cantidades enormes de energa4. Las velocidades de reaccin, por lo general, no se ven afectadas por la temperatura, la presin o los catalizadores.

Reacciones qumicasReacciones nucleares

Nmero atmico (Z) = nmero de protones en el ncleoNmero de masa (A) = nmero de protones + nmero de neutrones = nmero atmico (Z) + nmero de neutrones AZ11100-10+142

Balanceo de las ecuaciones nuclearesConservar el nmero de masa (A). La suma de protones ms los neutrones en los productos debe igualar la suma de protones ms neutrones en los reactivos. 235 + 1 = 138 + 96 + 2x1Conservar el nmero atmico(Z) o carga nuclear.La suma de cargas nucleares en los productos debe igualar la suma de cargas nucleares en los reactivos. 92 + 0 = 55 + 37 + 2x0

Emisin de partculas alfaEmisin de partculas betaEmisin de positronesEmisin de rayos gammaCaptura de electronesOtros menos frecuentes:Fisin espontnea y emisin de neutronesReacciones naturales

NaturalesInducidas o artificialesReacciones nucleares

Estabilidad nuclear y desintegracin radioactivaDesintegracin alfa 212Po 4He + 208 Pb + Energa

Disminuye # de neutrones por 2

Disminuye # de protones por 228284

Estabilidad nuclear y desintegracin rdiactiva Desintegracin beta Disminuye # de neutrones por 1Aumenta # de protones por 1Desintegracin del positrn Aumenta # de neutrones por 1Disminuye # de protones por 1 n tienen A = 0 y Z = 0

Desintegracin de captura del electrnAumenta # de neutrones por 1Disminuye # de protones por 1Estabilidad nuclear y desintegracin radiactivaFisin espontneaDesintegracin gamma60Co* ----- 60Co + rayos gamma2727Emisin de neutrones8 Be --- 7Be + 1 n 4 4 0

TIPOS COMUNES DE EMISIONES RADIOACTIVAS

TIPOIDENTIDADMASA (uma)CARGAVELOCIDADPENETRACINBeta(-)

Positrn(+)

Alfa (,)

Protn (p)

Neutrn (n)Rayo gamma () Electrn

Electrn con carga Positiva

Ncleo de helio

Protn, ncleo de hidrgeno

Neutrn

Radiacin electromagntica de alta energa similar a los rayos x 0.00055

0.00055

4.0026

1.0073

1.0087

01-

1+

2+

1+

0

090% velocidad de la luz 90% velocidad de la luz

10% velocidad de la luz 10% velocidad de la luz 10% velocidad de la luz

velocidad de la luz De baja a moderada dependiendo de la energa

De baja a moderada, dependiendo de la energa

Baja

De baja a moderada dependiendo de la energa

muy alta

alta

Partculas: alfa, beta y gamma

El Ncleo Atmico El ncleo de un tomo es de dos mil a cinco mil veces ms pesado que los electrones que le circundan.

Estabilidad nuclearCiertos nmeros de neutrones y protones son extra estables: n o p = 2, 8, 20, 50, 82 y 126Los ncleos con nmeros pares de protones y neutrones son ms estable que aquellos con nmeros impares de neutrones y protones Ncleo con nmero atmico superiores a 83 tienden a emitir partculas alfa Todos los istopos de Tc y Pm son radiactivos Nmero de istopos estables con nmeros par e impar de protones y neutrones

ProtonesNeutronesNmero de istopos establesImparImparParParImparParImparPar

n/p demasiado grandeDesintegracin betan/p demasiado pequeoDesintegracin de positrno captura de elctrnNmero de protonesNmero de neutronesCinturn de estabilidadNeutrone/protones = 1Estabilidad Nuclear

FUSINFISINFISIN NUCLEAR = obtencin de ncleos ms ligeros a partir de ncleos ms pesados. FUSIN NUCLEAR = unin de ncleos ligeros para obtener ncleos pesados, de mayor masa.

ENERGA DE ENLACE DEL NCLEO (EE) es la energa requerida para romper un ncleo en sus protones y neutronesEE = 9 x (p masa) + 10 x (n masa) 19F masa EE = mc2EE (uma) = 9 x 1.007825 + 10 x 1.008665 18.9984EE = 0.1587 uma1 uma = 1.49 x 10-10 JEE = 2.37 x 10-11Jenerga de enlace por nucleon = = 1.25 x 10-12 J La energa equivalente a la masa de un ncleo atmico es menor que la suma de la masa de sus nucleones separados:

Se llaman nucleones a los protones y neutronesLos ncleos que son radiactivos se llaman radionclidos y los tomos que contienen estos ncleos se llaman radioistopos.La captura de electrn est acompaada de la produccin de rayos X, ocurre siempre que el defecto de masa no exceda a 0,0011uma.La emisin de neutrones ocurre en aquellos tomos con nmero atmica menor o igual a 56.La fisin espontnea ocurre en ncleos con nmero atmico mayores a 93.En general los factores responsables de la estabilidad nuclear son :energa de enlace nuclear;relacin neutrn protn;nmero pares e impares de neutronesRESUMEN

Una serie de reacciones nucleares que comienza con un nucleo inestable y termina con uno estable se conoce como Serie radioactiva o serie de desintegracin nuclear.Ciertos ncleos como el uranio-238 pueden adquirir estabilidad por una emisin sencilla (alfa, beta).Hay tres clases de series en la naturaleza: U - 238 .> Pb-206 U - 238 .> Pb-207Th - 232..> Pb-208

La serie de decaimiento del uraniodasaosaosaosdasaosdasdasaosSeries radioactivas

Los ncleos sufren desintegracin radioactiva a diferentes velocidadesA -------- BSIGUEN CINETICAS DE PRIMER ORDENVELOCIDAD DE DESINTEGRACIN RADIOACTIVA El perodo de semidesintegracin o tiempo de vida media(t ) de una sustancia radiactiva es el tiempo necesario para que se desintegre la mitad de los ncleos presentes en una muestra de dicha sustancia.

Cintica de la desintegracin radiactivaN hijoVelocidad (Actividad) = kNN = N0exp(-kt)lnN = lnN0 - ktN = el nmeros de tomos en tiempo t N0 = el nmeros de tomos en tiempo t = 0k es la constante de desintegracint=Tiempo de vida media

Desintegracin de carbono radiactivot = 5730 aosDesintegracin del Uranio-238t = 4.51 x 109 aos

En el sistema internacional : Bequerel = desint / seg.

Unidades de RadiacinCurie(Ci)

Roentgen (R)

Rad

Rem

Gray (Gy) (unidad SI)Unidad de radiactividad que indica el decaimiento de una sustancia radiactiva. Ci = 3.7 x 1010 desinteg./s

Unidad de exposicin a radiacin gama o X basada en la cantidad de ionizacin producida en aire. I R = 2.1 x 109 iones/cm3

Unidad de dosis absorbida de radicacin, que indica la energa absorbida de cualquier radiacin ionizante.

Unidad de dosis equivalente; 1 rem es una dosis en rads multiplicada por un factor que depende del tipo de radiacin en particular. 1 rem = 1 rad x factor Energa absorbida por los tejidos 1 Gy = 1 J/kg de tejido (l Gy = 100 rad)

Para descubrir el interior tomo fue necesario aceleradores con grandes energas para acelerar partculas que choquen con los ncleos y descubrir la estructura interna de los tomos.Estos proyectiles permitieron a los fsicos desintegrar toda clase de ncleos y analizar las reacciones que producen las partculas ultrarrpidas que salen de los aceleradores.Se descubri en el ncleo que existen niveles de energa similares a los electrones, que hacen que las partculas alfa del ncleo pasen a otros niveles de energa y excitan rayos gamma. Transmutaciones de Elementos

Reacciones inducidas oTransmutacin nuclear Acelerador ciclotrnico de partculasVoltaje alternoBlancoCampo magntico

Representacin abreviada de una Transmutacin nuclear Ncleo padreNcleo hijoPartcula de bombardeoPartculaemitida

Transmutacin nuclear Los elementos transurnicosNmero atmicoNombreSmboloPreparacinNeptunioPlutonioAmericioCurioBerkelioCalifornioEinstenioFermioMendelevioNobelioLawrencioRutherfordioDubnioSeaborgioBohrioHassioMeitnerio

Hay dos procesos nucleares que tienen gran importancia prctica para generar energa atmica:

La fisin, que es partir un ncleo pesado en ncleos ms ligeros y al mismo tiempo liberar energa

La fusin que es la unin de dos ncleos ligeros a temperaturas extremadamente altas.

FISION Y FUSION NUCLEAR

Fisin nuclear

Fisin nuclear Energa = [masa235U + masa n (masa 90Sr + masa 143Xe + 3 x masa n )] x c2Energa = 3.3 x 10-11J por 235U= 2.0 x 1013 J por mol 235UCombustin de1 ton de carbn = 5 x 107 J

Fisin nuclear Reaccin nuclear en cadena es una secuencia autosuficiente de reacciones de fisin nuclear. La masa mnima de material fisionable requerida para generar una reaccin nuclear en cadena autosuficiente es la masa crtica.

REACCION EN CADENA

BOMBA ATOMICA

HIROSHIMA

FUSIONEs un proceso en el cual ncleos muy ligeros se fusionan para formar ncleos ms pesados y ms estables, generando grandes cantidades de energaLas reacciones que ocurren en el interior de las estrellas son reacciones de fusin.En el sol se genera la mayor parte de su energa por fusin.

EJERCICIOS

Energa NuclearEfectos de la radiacinAplicaciones