CAPÍTULO 22 Química Nuclear

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1 CAPÍTULO 22 Química Nuclear
I. El núcleo (P ) II III IV Cortesía Christy Johannesson

2 Energía de enlace nuclear
10x108 9x108 Fe-56 He-4 U-238 8x108 7x108 B-10 Energía de enlace por nucleón (kJ/mol) 6x108 5x108 Li-6 4x108 3x108 2x108 H-2 1x108 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 Número másico Los núclidos inestables son radiactivos y experimentan el decaimiento radiactivo.

3 Energía de enlace nuclear
promedia energía de enlace por nucleón (MeV) Los núclidos inestables son radiactivos y experimentan el decaimiento radiactivo.

4 CAPÍTULO 22 Química Nuclear
II. Decaimiento Radiactivo (P ) I II III IV Cortesía Christy Johannesson

5 Tipos de radiación Partícula alfa ( núcleo del helio 2+
papel Partícula beta (-) electrón 1 plomo Positrón (+) positrón 1+ concreto Gamma ( fotón de gran energía Cortesía Christy Johannesson

6 ¡Los números deben balancearse!!
Decaimiento nuclear Emisión alfa núclido padre núclido hijo partícula alfa ¡Los números deben balancearse!! Cortesía Christy Johannesson

7 Decaimiento nuclear Emisión beta electrón Emisión de positrón positrón
Cortesía Christy Johannesson

8 Decaimiento nuclear Captura de electrón electrón Emisión gamma
Generalmente sigue otros tipos de decaimiento. Transmutación Un elemento se convierte en otro. Cortesía Christy Johannesson

9 Decaimiento nuclear Porqué los núclidos decaen…
Necesitan un cociente estable de neutrones a protones 120 100 80 60 40 20 Neutrones (A-Z) Protones (z) P = N b núcleos estables a e-captura o e+ emisión Cortesía Christy Johannesson TRANSPARENCIA DE LA SERIE DE DECAIMIENTO

10 Decaimiento nuclear Porqué los núclidos decaen…
Necesitan un cociente estable de neutrones a protones P = N núcleos estables b estable núcleos a P = N 120 120 e-captura o e+ emisión 100 100 80 80 60 60 Neutrones (A-Z) Neutrones (A-Z) 40 40 20 20 20 40 60 80 100 120 20 40 60 80 100 120 Protones (z) Protones (z)

11 Tiempo (mil millones de años)
Vida Media Vida Media (t½) El tiempo necesario para que la mitad de los átomos de un núclido radiactivo decaiga. Una vida media más corta = menos estable. 1/1 Roca recién formada Potasio Argón Calcio Cociente de los átomos restantes de potasio-40 a los átomos originales de potasio-40 el 1/2 1/4 1/8 1/16 1 vida media 1.3 2 vidas mediass 2.6 3 vidas mediass 3.9 4 vidas mediass 5.2 Tiempo (mil millones de años)

12 Vida Media mf: masa final mi: masa inicial n: # de vidas medias
Cortesía Christy Johannesson

13 Vida Media DADO: TRABAJO:
Flúor-21 tiene una vida media de 5.0 segundos. Si comienzas con 25 g de flúor-21, ¿cuántos gramos quedarían después de 60.0 s? DADO:    t½ = 5.0 s    mi = 25 g    mf =¿?    tiempo total = 60.0 s    n = 60.0s ÷ 5.0s =12 TRABAJO:    mf = mi (½)n    mf = (25 g) (0.5)12    mf = g Cortesía Christy Johannesson

14 CAPÍTULO 22 Química Nuclear
III. Fisión y Fusión (P ) II III IV Cortesía Christy Johannesson

15 Fisión partir un núcleo en dos o más núcleos más pequeños
1 g de 235U = 3 toneladas de carbón Cortesía Christy Johannesson

16 Fisión reacción en cadena – reacción que se propaga
masa crítica - masa requerida para sostener una reacción en cadena Cortesía Christy Johannesson

17 Fusión combinar dos núcleos para formar un núcleo de una masa más grande reacción termonuclear - requiere una temperatura de K para sostenerse 1 g del combustible de la fusión = 20 toneladas de carbón ocurre naturalmente en las estrellas Cortesía Christy Johannesson

18 Fisión vs. Fusión FISIÓN FUSIÓN 235U es limitado peligro de la fusión
Cortesía Christy Johannesson FISIÓN FUSIÓN Fisión nuclear El partir de un núcleo pesado en el alumbrador dos unos El núcleo divide generalmente asimétrico algo que en piezas iguales, y la fisión de un núclido dado no da los mismos productos cada vez En una reacción típica de la fisión nuclear, más de un neutrón es lanzado por cada núcleo de división; cuando estos neutrones chocan con e inducen la fisión en otros núcleos vecinos, a la serie independiente económicamente de reacciones de la fisión nuclear conocidas como reacción en cadena nuclear puede resultar Cada serie de acontecimientos se llama una generación La masa mínima capaz de apoyar la fisión continua se llama la masa crítica Si la masa del isótopo fisible es mayor que la masa crítica, después bajo condiciones apropiadas, la masa supercrítica resultante puede lanzar energía explosivo • Fusión nuclear Dos núcleos ligeros combinan para producir un núcleo más pesado, más estable y son el contrario de una reacción de la fisión nuclear La carga positiva en ambos núcleos da lugar a una barrera de energía electrostática grande a la fusión; la barrera se puede superar si una o amba partículas tienen suficiente energía cinética para superar las repulsiones electrostáticas, permitiendo que los dos núcleos se acerquen cerca bastante para que una reacción de fusión ocurra 235U es limitado peligro de la fusión desperdicio tóxico contaminación termal combustible es abundante ningún peligro de la fusión ningún desperdicio tóxico aún no sostenible

19 CAPÍTULO 22 Química Nuclear
IV. Usos (P ) II III IV Cortesía Christy Johannesson

20 Energía Nuclear Reactores de la fisión Torre Refrigerante
Cortesía Christy Johannesson

21 Energía Nuclear Reactores de la fisión
Cortesía Christy Johannesson

22 Energía Nuclear Reactores de fusión (aún no sostenibles) ITER TOROIDAL
(Reactor experimental Termonuclear internacional) TOROIDAL BOBINAS DE CAMPO (produce el campo magnético que confina el plasma) MANTA (provee escudo del neutrón y convierte la energía de la fusión en líquido caliente, y de alta presión) COMPARTIMIENTO DE FUSIÓN DE PLASMA (donde las reacciones de la fusión ocurren) Altura 100 pies Diámetro 100 pies Energía de fusión megavatios Cortesía Christy Johannesson

23 Energía atómica Reactores de fusión (aún no sostenibles)
Experimento esférico nacional del toro Un reactor de la prueba de la fusión del tokamak (TFTR) fue construido en el MIT y la Universidad de Princeton. Estos reactores utilizan un campo magnético en forma de anillo para confinar el plasma así que no entra en contacto con ningún material. Una temperatura de 410 millones oC se ha logrado en el reactor de Princeton pero por solamente algunos segundos. - Fundamentales de la química (3rd edición) por la página 572 de Rafael Burns Reactor de la fusión Tokamak Universidad de Princeton Cortesía Christy Johannesson

24 Elementos sintéticos Elementos transuránicos
elementos con números atómicos mayor que 92 producido sintético en reactores y aceleradores nucleares la mayoría decae muy rápido Cortesía Christy Johannesson

25 Radiactividad natural y artificial
Isótopos que han estado aquí desde que la tierra formó. Ejemplo - uranio Producida por rayos cósmicos del sol. Ejemplo - el carbono-14 Radioisótopos artificiales Hechos en reactores nucleares cuando partimos los átomos (fisión). Producidos usando los ciclotrones, aceleradores lineares,…

26 Fuente de partícula positiva Voltaje Alterno Rayo de Partícula Vacío
Blanco El uranio (Z = 92) es el elemento natural más pesado; todos los elementos con Z > 92, los elementos transuránicos, son artificiales y han sido preparados por el bombardeo de los núcleos de blanco convenientes con partículas más pequeñas • El bombardeo de la blanco con núcleos más masivos crea los elementos que tienen números atómicos mayores que el del núcleo de blanco • Acelerando positivamente - las partículas cargadas a las velocidades necesitaron superar las repulsiones electrostáticas entre ellas y los núcleos de blanco requiere un dispositivo llamado un acelerador de partícula, que utiliza eléctrico y los campos magnéticos para acelerar los tipos de las partículas de aceleradores de partícula El acelerador linear es el acelerador de partícula más simple en el cual una viga de partículas se inyecta en un extremo de un tubo evacuado largo; la alternación rápida de la polaridad de los electrodos a lo largo del tubo hace las partículas alternativamente ser acelerada hacia una región de carga opuesta y ser rechazada por una región con iguales la carga, dando por resultado una enorme aceleración mientras que la partícula viaja abajo del tubo. Un ciclotrón alcanza el mismo resultado en menos espacio y fuerza las partículas cargadas para viajar en una trayectoria circular; las partículas se inyectan en el centro de un anillo y son aceleradas rápido alternando la polaridad de dos electrodos D-formados grandes sobre y debajo del anillo, que acelera las partículas hacia fuera a lo largo de una trayectoria espiral hacia la blanco. El sincrotrón es un híbrido de los dos diseños anteriores y contiene un tubo evacuado similar a el del acelerador linear, pero el tubo es circular y puede ser más que una milla de diámetro; las partículas cargadas son aceleradas alrededor del círculo por una serie de imanes cuyas polaridades alternen rápido. © de los derechos reservados Pearson 2007 Benjamin Cummings. Todos los derechos reservados.

27 Datación radiactiva medidas de la vida media de los elementos radiactivos se utilizan para determinar la edad de un objeto la tasa de decaimiento indica la cantidad de materiales radioactivos EJ: 14C - hasta años 238U y 40K – más de años Cortesía Christy Johannesson

28 Medicina nuclear Contrastes del radioisótopo
absorbido por órganos específicos y utilizados para diagnosticar enfermedades Radioterapia se utilizan dosis grandes para matar las células cancerosas en órganos apuntados fuente de radiación interna o externa Radioterapia el usar  - rayos de cobalt-60. La radiación es destructiva rápido a dividir las células tales como células y bacterias del tumor, así que se ha utilizado médicamente para tratar el cáncer; muchos radioisótopos están disponibles para el uso médico, y cada uno tiene ventajas específicas para ciertos usos Radioterapia La radiación es entregada por una fuente plantada dentro del cuerpo, o en algunos casos, los médicos se aprovechan de propia química del cuerpo para entregar un radioisótopo a la localización deseada En caso de que un tumor sea quirúrgico inaccesible, una fuente de radiación externa se utiliza para apuntar una viga firmemente enfocada de los rayos del  ella Proyección de imagen médica Un radioisótopo se localiza temporalmente en un tejido o un órgano particular donde sus emisiones proporcionan un mapa del tejido o del órgano La tomografía de emisión de positrón (PET) es una técnica de proyección de imagen que produce notable detallado imágenes tridimensionales; las moléculas biológicas que se han marcado con etiqueta con un isótopo de positrón-emisión se pueden utilizar para sondar las funciones de órganos La radiación de ionización se utiliza en la irradiación del alimento para matar bacterias Cortesía Christy Johannesson

29 Armas nucleares Bomba atómica se utiliza la explosión química para formar una masa crítica de 235U o 239PU la fisión se convierte en una reacción incontrolada en cadena Bomba de hidrógeno explosión química  fisión  fusión la fusión aumenta la tasa de la fisión más poderosa que la bomba atómica Cortesía Christy Johannesson

30 Otros Irradiación de alimentos
la radiación del  se utiliza para matar bacterias Contrastes radiactivos exploran los caminos químicos trazan la corriente de auga estudian el crecimiento vegetal, la fotosíntesis Productos de consumo detectores de humo ionizantes - 241 Cortesía Christy Johannesson

31 Diagrama simplificado de una bomba de fisión
Explosivo químico Un explosivo convencional se utiliza para conducir dos secciones de U-235 junto. Esto crea un Massachusetts supercrítico. Masas Subcríticas Masa Crítica

32 Diagrama simplificado de una bomba de fisión

33 Masas Subcríticas

34 Explosivo químico

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38 Masa crítica © de los derechos reservados Pearson 2007 Benjamin Cummings. Todos los derechos reservados.

39 Fusión img235.imageshack.us/img235/5743/fusionib7.jpg